diseño sismorresistente de construcciones de acero - 3da edición
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3ra edición
DISEÑO SISMORRESISTENTE DE CONSTRUCCIONES DE ACERO
FRANCISCO JAVIER CRISAFULLIIngeniero Civil, Ph.D.Profesor de Ingeniería Estructural,Universidad Nacional de Cuyo,Mendoza, Argentina
© 2013. Asociación Latinoamericana del Acero - AlaceroSecretaría General de AlaceroBenjamín N° 2.944 - 5to piso - Las Condes - Santiago de ChileTeléfono: (56-2)2233-0545 • Fax: (56-2) [email protected]: 978-956-8181-15-4
3
Prefacio
Los sismos son desastres naturales que frecuentemente
golpean a distintas regiones de Latinoamérica, produ-
ciendo pérdidas de vidas humanas, daño en la infraes-
tructura civil y pérdidas económicas. Es por ello que la
reducción del riesgo sísmico, y en particular de la vul-
nerabilidad de las construcciones, representa una tarea
de gran importancia social. Si bien esta tarea debe
desarrollarse en un contexto interdisciplinario, es obvio
que el rol del ingeniero estructural es preponderante,
dado que tiene a su cargo el diseño, cálculo y supervi-
sión del sistema estructural de las construcciones.
Es por ello que este libro está dirigido a los profe-
sionales de la ingeniería estructural, estudiantes de
posgrado y estudiantes avanzados de ingeniería civil,
con el objeto de presentar los aspectos fundamentales
del diseño sismorresistente de estructuras de acero.
Esta tarea se realiza con el convencimiento de que la
capacitación de los ingenieros estructurales representa
una acción efectiva para reducir la vulnerabilidad de las
construcciones.
Este texto fue editado originalmente en el año 2010
y actualizado en el 2012, principalmente para incorpo-
rar las modificaciones introducidas en el reglamento
ANSI/AISC 341-10, Seismic Provisions for Structural
Steel Buildings. Adicionalmente, se agregaron dos
capítulos nuevos sobre sistemas estructurales de muy
buen desempeño, como son los pórticos con riostras de
pandeo restringido y los muros de corte con placas de
acero. Ahora se presenta la tercera edición, en la cual
se incluye los aspectos principales del diseño de estruc-
turas con miembros compuestos de acero y hormigón.
Este tema se considera de gran actualidad, debido a que
las construcciones compuestas representan una alterna-
tiva con muy buen desempeño estructural y ventajas
constructivas y económicas, lo cual surge de la combi-
nación sinérgica del acero estructural y el hormigón.
El autor agradece a la Asociación Latinoamericana
del Acero, ALACERO, quien en su afán de promover y
difundir el uso del acero en América Latina, propuso y
apoyó la realización de la presente publicación, en
todas sus ediciones. En particular, se destaca el cons-
tante apoyo del Ing. Guillermo Moreno y del Ing. Al-
berto Pose para el desarrollo del trabajo.
Se reconoce especialmente la tarea realizada por el
Ing. Eduardo Daniel Quiroga, quien aportó comenta-
rios y sugerencias vinculados con aspectos técnicos de
la publicación, y la revisión del Sr. Alejandro Santoro
quién además colaboró en la preparación de algunos
gráficos. Se agradecen también la contribución de la
Profesora Silvina Negri para mejorar la redacción del
texto.
Francisco J. Crisafulli
Ingeniero Civil, Ph.D.
Profesor de Ingeniería Estructural,
Universidad Nacional de Cuyo,
Mendoza, Argentina
Marzo de 2013
4
Índice
Prefacio .............................................................. 3 Índice .............................................................. 4 Notación .............................................................. 7
Introducción .......................................................... 1 1.1 OBJETIVO, ALCANCES Y
ORGANIZACIÓN DEL TEXTO ......................... 1 1.2 MÉTODOS DE DISEÑO: ASD Y
LRFD 1 1.3 RIESGO SÍSMICO E INGENIERÍA
SISMORRESISTENTE ........................................ 4 1.4 ESTRUCTURAS DÚCTILES DE
ACERO 5 1.4.1 El acero como material estructural ....... 5 1.4.2 Aspectos generales del comportamiento
estructural ............................................................. 7 1.4.3 Clasificación de secciones .................... 8 1.4.4 Efectos de segundo orden ..................... 9 1.4.5 Comportamiento sísmico de las
estructuras de acero ............................................ 10 1.5 ESTRUCTURAS CON SECCIONES
COMPUESTAS .................................................. 13 1.5.1 Aspectos generales ............................. 13 1.5.2 Conectores de corte ............................ 14 1.5.3 Tipos de miembros compuestos ......... 15 1.5.4 Evaluación de la resistencia de
secciones compuestas ......................................... 18
Aspectos generales del diseño sismorresistente . 20 2.1 EL SISMO COMO ACCIÓN DE
DISEÑO 20 2.1.1 Espectros de respuesta ........................ 20 2.1.2 Espectros de diseño ............................ 21 2.1.3 Acción vertical del sismo ................... 22 2.2 DISEÑO POR CAPACIDAD ............ 23 2.3 FILOSOFÍA DEL DISEÑO
SISMORRESISTENTE ...................................... 23 2.3.1 Criterio general ................................... 23 2.3.2 Factor de modificación de respuesta R
23 2.4 DESPLAZAMIENTOS LATERALES
Y DISTORSIÓN DE PISO ................................ 25 2.5 ESTADOS DE CARGA Y ANÁLISIS
27 2.5.1 Factor de redundancia ......................... 27 2.5.2 Combinaciones de carga con acción de
sismo 27 2.5.3 Métodos de análisis ............................ 28 2.6 TÉCNICAS AVANZADAS DE
DISEÑO SISMORRESISTENTE ...................... 29 2.6.1 Sistemas de protección sísmica .......... 29 2.6.2 Disipadores de energía........................ 31
2.7 SISTEMAS ESTRUCTURALES
PARA CONSTRUCCIONES DE ACERO ....... 32 2.7.1 Pórticos no arriostrados ..................... 33 2.7.2 Pórticos arriostrados concéntricamente
34 2.7.3 Pórticos arriostrados excéntricamente 36 2.7.4 Sistemas de columnas en voladizo ..... 37 2.7.5 Pórticos con riostras de pandeo
restringido .......................................................... 38 2.7.6 Muros de corte con placas de acero ... 39 2.7.7 Estructuras con miembros compuestos
40 2.8 SISTEMAS SISMORRESISTENTES43 2.8.1 Conexiones ........................................ 43 2.8.2 Zonas protegidas ................................ 43 2.8.3 Tipos de soldaduras. Soldaduras de
demanda crítica .................................................. 44 2.8.4 "Área-k" ............................................. 44 2.8.5 Arriostramientos para estabilidad de
vigas 45 2.8.6 Conexiones compuestas y anclajes de
acero 47 2.9 REHABILITACIÓN SÍSMICA DE
CONSTRUCCIONES EXISTENTES ............... 48 2.9.1 Aspectos generales ............................. 48 2.9.2 Estrategias de rehabilitación .............. 49 2.9.3 Rehabilitación de estructuras de acero 50
Pórticos no arriostrados ..................................... 51 3.1 INTRODUCCIÓN ............................. 51 3.1.1 Comportamiento estructural .............. 51 3.1.2 Conexiones viga-columna. Conexiones
precalificadas ..................................................... 52 3.2 PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS
ESPECIALES .................................................... 53 3.2.1 Aspectos generales ............................. 53 3.2.2 Conexiones viga-columna .................. 53 3.2.3 Placas de continuidad ......................... 53 3.2.4 Panel nodal ......................................... 54 3.2.5 Requerimientos para vigas y columnas.
Relación anchura-espesor .................................. 57 3.2.6 Relación entre la resistencia flexional de
columnas y vigas ................................................ 58 3.2.7 Restricción lateral en conexiones ...... 58 3.2.8 Restricción lateral en vigas ................ 58 3.3 PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS
INTERMEDIOS ................................................ 59 3.3.1 Aspectos generales ............................. 59 3.3.2 Conexiones viga-columna .................. 59 3.3.3 Placas de continuidad ......................... 59 3.3.4 Panel nodal ......................................... 59 3.3.5 Relación anchura-espesor para vigas y
columnas 59 3.3.6 Restricción lateral en vigas ................ 59 3.4 PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS
5
ORDINARIOS ................................................... 59 3.4.1 Aspectos generales ............................. 59 3.4.2 Conexiones viga-columna .................. 59 3.4.3 Placas de continuidad ......................... 60 3.5 COMPARACIÓN DE LOS
REQUERIMIENTOS DE DISEÑO ................... 60 3.6 CONEXIONES VIGA-COLUMNA .. 61 3.6.1 Conexiones reforzadas ........................ 61 3.6.2 Conexiones con viga de sección
reducida 64 3.6.3 Otras conexiones ................................ 65 3.6.4 Conexiones precalificadas ANSI/AISC
358 66
Pórticos arriostrados concéntricamente .............. 68 4.1 INTRODUCCIÓN .............................. 68 4.2 COMPORTAMIENTO
ESTRUCTURAL DE LAS RIOSTRAS ............ 68 4.2.1 Respuesta cíclica ................................ 68 4.2.2 Factores que afectan la respuesta ........ 70 4.3 CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA
DE LAS RIOSTRAS .......................................... 72 4.3.1 Criterios estructurales ......................... 72 4.3.2 Riostras en V y V invertida ................ 72 4.3.3 Riostras en K ...................................... 73 4.3.4 Riostras tipo tensor en X .................... 74 4.4 DISEÑO DE PÓRTICOS
ARRIOSTRADOS ............................................. 75 4.4.1 Mecanismo plástico ............................ 75 4.4.2 Diseño de conexiones ......................... 75 4.5 PÓRTICOS ESPECIALES
ARRIOSTRADOS CONCÉNTRICAMENTE .. 76 4.5.1 Objetivo general del diseño ................ 76 4.5.2 Análisis ............................................... 76 4.5.3 Riostras ............................................... 76 4.5.4 Configuración de las riostras .............. 77 4.5.5 Relación anchura-espesor ................... 78 4.5.6 Conexiones viga-columna .................. 78 4.5.7 Conexiones de las riostras .................. 79 4.5.8 Requerimientos especiales para
arriostramientos en V y V invertida ................... 81 4.5.9 Arriostramientos en K ........................ 81 4.5.10 Sistemas duales ................................... 81 4.6 PÓRTICOS ORDINARIOS
ARRIOSTRADOS CONCÉNTRICAMENTE .. 81 4.7 UTILIZACIÓN DE RIOSTRAS PARA
LA REHABILITACIÓN SÍMSICA ................... 82
Pórticos arriostrados excéntricamente ................ 84 5.1 INTRODUCCIÓN .............................. 84 5.2 CONSIDERACIONES
ESTRUCTURALES ........................................... 84 5.2.1 Configuración geométrica .................. 84 5.2.2 Rigidez lateral ..................................... 85 5.2.3 Comportamiento estructural del enlace
86 5.2.4 Resistencia del enlace ......................... 88 5.2.5 Deformación inelástica del enlace ...... 88
5.2.6 Resistencia lateral del pórtico ............ 90 5.2.7 Comparación entre enlaces cortos y
largos 90 5.3 DETALLE DEL ENLACE Y
CONEXIONES .................................................. 90 5.4 DISEÑO DE PÓRTICOS
ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE ..... 91 5.4.1 Aspectos generales ............................. 91 5.4.2 Enlaces ............................................... 91 5.4.3 Relaciones anchura-espesor ............... 92 5.4.4 Conexiones ........................................ 92 5.4.5 Sistemas duales .................................. 92
Pórticos con riostras de pandeo restringido ....... 93 6.1 ASPECTOS GENERALES ............... 93 6.2 COMPORTAMIENTO
ESTRUCTURAL DE LAS RIOSTRAS DE
PANDEO RESTRINGIDO................................ 94 6.3 DISEÑO DE PÓRTICOS CON
RIOSTRAS DE PANDEO RESTRINGIDO ..... 96 6.3.1 Aspectos generales ............................. 96 6.3.2 Disposición de las riostras ................. 96 6.3.3 Diseño de las riostras de pandeo
restringido .......................................................... 97 6.3.4 Conexiones ........................................ 98 6.4 APLICACIÓN A LA
REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL ............ 98
Muros de corte con placas de acero ................... 99 7.1 ASPECTOS GENERALES ............... 99 7.1.1 Descripción del sistema ..................... 99 7.1.2 Tipos de muros de corte con placas de
acero 100 7.1.3 Configuraciones de los muros .......... 102 7.2 COMPORTAMIENTO
ESTRUCTURAL ............................................. 102 7.3 ANALISIS ESTRUCTURAL .......... 103 7.4 CONEXIONES Y ASPECTOS
CONSTRUCTIVOS ........................................ 105 7.5 DISEÑO DE MUROS DE CORTE
CON PLACAS DE ACERO ............................ 106 7.5.1 Aspectos generales ........................... 106 7.5.2 Elementos de borde .......................... 106 7.5.3 Placa de alma ................................... 107 7.5.4 Zonas protegidas .............................. 107 7.5.5 Conexiones ...................................... 107 7.5.6 Placas de acero perforadas ............... 107 7.5.7 Placas de acero con perforaciones de
esquina 107 7.6 APLICACIÓN A LA
REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL .......... 108
Estructuras con secciones compuestas ............. 109 8.1 INTRODUCCIÓN ........................... 109 8.2 PÓRTICOS COMPUESTOS NO
ARRIOSTRADOS ........................................... 109 8.2.1 Tipos de pórticos .............................. 109 8.2.2 Pórticos compuestos ordinarios ....... 109
6
8.2.3 Pórticos compuestos intermedios ..... 109 8.2.4 Pórticos compuestos especiales ...... 110 8.2.5 Conexiones para pórticos compuestos
111 8.2.6 Pórticos compuestos parcialmente
restringidos ....................................................... 112 8.3 PÓRTICOS COMPUESTOS
ARRIOSTRADOS ........................................... 113 8.3.1 Tipos de pórticos .............................. 113 8.3.2 Pórticos compuestos ordinarios
arriostrados ....................................................... 113 8.3.3 Pórticos compuestos especiales
arriostrados concéntricamente .......................... 113 8.3.4 Conexiones para pórticos compuestos
arriostrados ....................................................... 114 8.3.5 Pórticos compuestos arriostrados
excéntricamente ................................................ 115 8.4 MUROS DE CORTE COMPUESTOS
115 8.4.1 Tipos de muros ................................. 115 8.4.2 Muros de corte compuestos ordinarios
117 8.4.3 Muros de corte compuestos especiales
118 8.4.4 Muros compuesto con placas de acero
119
Referencias Bibliográficas ................................ 120
7
Notación
Ag área bruta de la sección
As área de refuerzo transversal en secciones com-
puestas
Asp área de las placas de acero de un muro com-
puesto
a separación máxima entre rigidizadores de enlace
b anchura de un elemento de la sección
bbf anchura del ala de la viga
bcf anchura del ala de la columna
bf anchura del ala
bwc anchura de la sección compuesta de hormigón
Cd factor de amplificación de desplazamientos
D cargas de peso propio de la estructura y otros
elementos, o
diámetro de perforaciones
db altura total de una viga
dc altura total de una columna, o
altura de la sección compuesta de hormigón
dz anchura del panel nodal
E acción del sismo
F carga debida a fluidos, o
fuerza lateral
Fa coeficiente de sitio
FE resistencia lateral ante acciones sísmicas
Fu resistencia de tracción mínima para el acero
especificado
Fv coeficiente de sitio
Fy tensión mínima de fluencia para el acero especi-
ficado
Fysr tensión mínima de fluencia del refuerzo trans-
versal
f´c resistencia a compresión del hormigón.
g longitud libre de una viga de acople
H carga debida al empuje lateral de suelos, del
agua en el suelo o de otros materiales a granel
h altura de piso
ho distancia entre baricentro de las alas
Ib momento de inercia de la viga
Ib momento de inercia de viga
Ic momento de inercia de columna
K factor de longitud de pandeo efectiva
L sobrecarga de uso, o
longitud de un miembro, o
longitud de pandeo
Lcf distancia libre entre elementos de borde vertical
Lh distancia entre rótulas plásticas en la viga.
Lr sobrecarga en cubiertas
Mn momento nominal
Mp momento plástico
Mp,exp momento flector esperado de la viga compuesta
Mw magnitud momento
P carga vertical
Pac resistencia ajustada a compresión
Pat resistencia ajustada a tracción
Pc carga axial de compresión
PE carga crítica de Euler
Pr carga axial requerida
Puc resistencia requerida a compresión
Pysc resistencia a tracción del núcleo de acero
Pt carga axial de tracción
Py carga axial de fluencia
pa probabilidad anual de excedencia
pt probabilidad de excedencia en un periodo de
tiempo t
Q factor de reducción para secciones esbeltas
comprimidas
R carga por lluvia, o
factor de modificación de respuesta
Ra resistencia requerida, método ASD
Rd resistencia de diseño
Rn resistencia nominal
Rt relación entre la resistencia de tracción esperada
y la resistencia de tracción mínima, Fu
Ru resistencia requerida, método LRFD
Ry relación entre la tensión de fluencia esperada y
la tensión mínima de fluencia, Fy
Rμ factor de ductilidad
r radio de giro
S carga de nieve o hielo
Sdiag distancia más corta entre centros de perforacio-
nes
SDS aceleración espectral de diseño para T=0.2s
SD1 aceleración espectral de diseño para T=1.0s
SS aceleración espectral MCE para T=0.2s
S1 aceleración espectral MCE para T=1.0s
T acciones resultantes del impedimento de cam-
bios dimensionales (originados por asentamien-
tos, efectos térmicos, contracción por fragüe,
fluencia lenta, etc.), o
periodo de vibración fundamental de una estruc-
tura
TL periodo de transición para periodos largos
TR periodo de retorno
V corte en un nivel
VD corte basal de diseño
Ve corte basal elástico
Vn resistencia a corte esperada
VY corte basal de fluencia o resistencia lateral de la
estructura
t espesor de un elemento, o
intervalo de tiempo
tbf espesor del ala de la viga
tcf espesor del ala de la columna
tp espesor total del panel nodal
tw espesor del alma
W carga de viento
wz altura del panel nodal
Ycon distancia desde la parte superior de la viga de
acero a la parte superior del hormigón
YPNA distancia desde la fibra de hormigón más com-
primido hasta el eje neutro
8
Z módulo plástico de una sección
α ángulo de inclinación, o
ángulo de las bandas de tracción
αc factor de reducción para pandeo poscrítico
factor de ajuste por resistencia a compresión
Δ desplazamiento relativo de piso
δ desplazamiento lateral
δe desplazamiento lateral elástico (en general) o
desplazamiento elástico originado por VD
δS desplazamiento lateral de diseño
δY desplazamiento lateral de fluencia
factor de resistencia
φv factor de resistencia a corte
λ factor de carga
λhd relación anchura-espesor límite para miembros
con alta ductilidad
λmd relación anchura-espesor límite para miembros
con moderada ductilidad
λd, λr relaciones anchura-espesor límites para la clasi-
ficación de secciones
ductilidad
θ índice de estabilidad, o
distorsión horizontal de piso
ρ factor de redundancia
ξ factor de amortiguamiento
Ω factor de seguridad
ΩD factor de sobrerresistencia de diseño
ΩM factor de sobrerresistencia debida al material
Ωo factor de sobrerresistencia
ΩS factor de sobrerresistencia del sistema
factor de ajuste por endurecimiento de deforma-
ción
1
Capítulo 1
Introducción
1.1 OBJETIVO, ALCANCES Y ORGANIZA-
CIÓN DEL TEXTO
El objetivo fundamental de esta publicación es presen-
tar una guía de utilidad práctica para los ingenieros
estructurales vinculados al diseño sismorresistente de
construcciones de acero y de construcciones con sec-
ciones compuestas de acero y concreto (es importante
indicar que en algunos países estas construcciones se
denominan como mixtas). En ella se incluyen concep-
tos básicos y criterios de diseño para los sistemas resis-
tentes más usuales, como son los pórticos sin arriostrar
(pórticos a momento) y los pórticos arriostrados con-
céntrica y excéntricamente. Además, se describen al-
gunos sistemas más innovadores como son los pórticos
con riostras de pandeo restringido y los muros con
placas de acero, los cuales representan avances recien-
tes de la ingeniería estructural que ya han sido aplica-
dos en países como Estados Unidos y Japón. Para su
redacción, se ha tomado como referencia la publicación
Seismic Provisions for Structural Steel Buildings
(AISC 2010a), preparada por el American Institute of
Steel Construction, AISC, considerando la amplia
difusión que este documento tiene en Latinoamérica,
ya sea como reglamento de diseño o como bibliografía
de consulta.
Es importante aclarar, para no defraudar las expec-
tativas del lector, que el desarrollo de los temas se
realiza en forma general, haciendo énfasis en los aspec-
tos conceptuales. No se incluyen descripciones detalla-
das de todas las especificaciones de diseño, demostra-
ciones, desarrollos analíticos o ejemplos numéricos
como los que pueden encontrarse en libros especializa-
dos, manuales de diseño o artículos técnicos. No obs-
tante ello, se incluyen referencias bibliográficas y datos
adicionales de consulta que son de utilidad para com-
plementar y profundizar los temas tratados.
Para una adecuada comprensión de este texto, el
lector debe contar con conocimientos sobre análisis
estructural, conceptos básicos de dinámica y criterios
de diseño de estructuras de acero. En relación a este
último tema, existe una variada bibliografía a consultar,
por ejemplo, Bruneau et al. (2011), McCormac y Cser-
nak (2012), McCormac (2002), Salmon et al. (2008),
Vinnakota (2006). Para el estudio del diseño de seccio-
nes compuesta de acero y concreto se recomiendan los
textos de Viest et al (1997), Nethercot (2003), Taranath
(2012). Desde el punto de vista reglamentario, el do-
cumento Specification for Structural Steel Buildings
(AISC, 2010b) representa la referencia principal.
En las secciones siguientes de este capítulo se pre-
sentan algunos conceptos básicos vinculados a los
criterios de diseño según los métodos de tensiones
admisibles, ASD, y de factores de carga y resistencia,
LRFD, a riesgo sísmico y a temas generales de estruc-
turas dúctiles de acero. En el Capítulo 2 se incluyen
nociones del diseño sismorresistente que permiten
comprender los criterios de verificación presentes en
las especificaciones AISC, junto con una descripción
de los tipos estructurales para construcciones de acero.
Los Capítulos 3, 4 y 5 presentan las principales especi-
ficaciones y requerimientos vinculados a los tres tipos
de estructuras más usados como sistema sismorresis-
tente, esto es: pórticos no arriostrados, pórticos arrios-
trados concéntricamente y pórticos arriostrados excén-
tricamente. La descripción de los aspectos más signifi-
cativos para el diseño de pórticos con riostras de pan-
deo restringido y muros de corte con placas de acero se
incluye en los capítulos 6 y 7. Finalmente, el capítulo 8
presenta el diseño de construcciones con secciones
compuestas de acero y concreto.
A lo largo del texto se indican diversas siglas em-
pleadas en las especificaciones AISC y en la bibliogra-
fía técnica en idioma inglés. En algunos casos no se ha
realizado la traducción en idioma español porque las
mismas son de aplicación frecuente en Latinoamérica y
su uso facilita la lectura de las especificaciones y de la
bibliografía.
1.2 MÉTODOS DE DISEÑO: ASD Y LRFD
Las especificaciones para construcciones de acero
vigentes en Estados Unidos de América (AISC, 2010b)
consideran dos métodos generales de diseño: el método
de las tensiones admisibles (ASD por las siglas de
Allowable Strength Design), y el método de factores de
carga y resistencia (por las siglas de Load and Resis-
tance Factor Design).
El primer método se basa en verificar que las ten-
siones inducidas en los elementos estructurales no
excedan una tensión admisible, la cual resulta de divi-
dir la resistencia del material (usualmente la tensión de
fluencia Fy) por un factor de seguridad Ω. Este proce-
dimiento es ampliamente conocido por los ingenieros
estructurales y ha sido utilizado a lo largo de muchas
décadas para el diseño de estructuras de diversos mate-
riales.
Por el contrario, el método LRFD es más reciente;
algunos países de Latinoamérica lo han adoptado en los
últimos años, mientras que otros países continúan con
el método ASD. A nivel académico, los datos obteni-
2
dos de un relevamiento informal en distintas universi-
dades de Latinoamérica indican qué solo algunas uni-
versidades ha incorporado en los planes de estudio de
ingeniería civil la enseñanza del método LRFD. Es por
ello que resulta conveniente presentar una descripción
conceptual del mismo en esta publicación.
El método de diseño LRFD se basa en la evaluación
de una serie de estados límites, los cuales pueden defi-
nirse como una condición, aplicable a toda la estructura
o a uno de sus componentes, más allá de la cual no
queda satisfecho el comportamiento requerido o espe-
rado. Los estados límites se dividen en dos grupos:
Estados límites de servicio, ELS: son aquellos vin-
culados a condiciones de funcionamiento y su in-
cumplimiento puede afectar el normal uso de la
construcción. Como ejemplo, puede mencionarse el
control de deformaciones excesivas en vigas o de
vibraciones en un entrepiso cuando se someten a
cargas de servicio.
Estados límites de resistencia (o últimos), ELU: son
los relacionados con la capacidad resistente ante
cargas últimas y se vinculan directamente con la
seguridad estructural para prevenir el daño y el co-
lapso. Estos estados varían según el tipo de solicita-
ción actuante, y usualmente se requiere verificar va-
rios de ellos para un mismo componente. Algunos
de los estados límites de resistencia más usuales
son: fluencia, rotura, formación de rótulas plásticas,
inestabilidad global de un componente, pandeo lo-
cal y pandeo lateral torsional.
La verificación de los estados límites de resistencia
se realiza a través de la comparación entre las solicita-
ciones resultantes de aplicar las combinaciones de
cargas mayoradas (en estado último) y la resistencia
correspondientes a dicho estado, lo cual puede expre-
sarse como:
Resistencia requerida, Ru (demanda)
≤
Resistencia de diseño, Rd (suministro)
En la cuantificación de este criterio de verificación
se busca que la resistencia requerida represente el má-
ximo valor probable del efecto inducido por las cargas
(Q + Q), mientras que la resistencia de diseño debe
representar un valor mínimo (Rn + Rn) para considerar
la incertidumbres propias de esta determinación analíti-
ca. Este criterio de verificación puede expresarse ma-
temáticamente a través de la siguiente expresión:
Σλi Qi ≤ Rn (1-1)
donde λi representa los factores de carga que multipli-
can las distintas cargas o sobrecargas de servicio Qi,
es el factor de resistencia correspondiente a ese estado
límite y Rn es la resistencia nominal obtenida a partir
de expresiones o procedimientos indicados en los re-
glamentos vigentes y considerando estimaciones con-
servadoras acerca de las propiedades de los materiales.
Para la cuantificación de los factores de carga y resis-
tencia se considera un modelo probabilístico (en el cual
las cargas Q y las resistencias R se representan como
variables aleatorias estadísticamente independientes),
la calibración y comparación con el método ASD y la
evaluación fundamentada en la experiencia y ejemplos
desarrollados por ingenieros estructurales.
Los factores de resistencia multiplican la resisten-
cia nominal o teórica, a los efectos de considerar incer-
tidumbres debidas a los procedimientos de cálculo,
materiales, dimensiones, mano de obra, etc. Los valo-
res que adopta este factor dependen del tipo de compo-
nente y de la solicitación actuante. Así por ejemplo, se
tiene: 0.90 para fluencia en miembros en tracción, 0.75
para fractura, 0.85 para miembros en compresión y
0.90 para componentes sometidos a flexión y corte.
El método LRFD considera diversas combinaciones
de carga, las cuales surgen de asumir que cada una de
ellas actúa separadamente con el máximo valor espera-
do en la vida útil de la construcción (acción de base),
mientras que las otras cargas (acciones de acompaña-
miento) adoptan valores usuales, todas con igual pro-
babilidad de ocurrencia. A modo de ejemplo, se pre-
sentan combinaciones de cargas según lo requerido por
ASCE/SEI 7-10:
1. 1.4D
2. 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr o S o R)
3. 1.2D + 1.6(Lr o S o R) + (L o 0.5W)
4. 1.2D + 1.0W + L + 0.5(Lr o S o R)
5. 1.2D + 1.0 E + L + 0.2S
6. 0.9D + 1.0W
7. 0.9D + 1.0E (1-2)
donde D es la carga permanente por peso propio, tam-
bién llamada carga muerta, F la carga debida a fluidos,
L es la sobrecarga de uso o carga viva (que puede re-
ducirse a la mitad para las combinaciones 3, 4 y 5, en
ciertos casos definidos por el reglamento), Lr es la
sobrecarga en cubiertas, S es la carga de nieve, R es la
carga por lluvia, W la carga de viento y E representa la
acción del sismo. Es importante mencionar que en las
combinaciones 3, 4 y 5 está permitido reducir el efecto
de la carga L cuando el valor de la sobrecarga de uso
definido por el reglamento es menor o igual a 4.79
kN/m2. Puede observarse en las combinaciones de
carga definidas por las Ecuaciones (1-2) que el factor
correspondiente a la acción sísmica es 1.0. Ello es así,
porque los reglamentos vigentes definen dicha acción a
un nivel correspondiente a estado último, a diferencia
de otras acciones, como la carga L cuyos valores se
determinan a nivel servicio y luego son mayorados.
Este reglamento también considera casos especiales
como las cargas por hielo, inundaciones, la acción
resultante del impedimento de cambios dimensionales
y eventos extraordinarios (con baja probabilidad de
ocurrencia) como fuego, explosiones e impacto de
vehículos sobre las construcciones. Además, se presen-
tan requerimientos para la consideración de cargas
3
debidas a la presión de fluidos (F) y a la presión lateral
(H) del suelo, del agua en suelos o de materiales a
granel (granos, áridos, etc).
De lo expuesto, y a modo de resumen, puede con-
cluirse que las diferencias entre ambos métodos son
tanto conceptuales como operativas. El método ASD
plantea el diseño a partir de comparaciones de tensio-
nes, considerando combinaciones de estados de carga
definidos a nivel de servicio. El coeficiente de seguri-
dad engloba, en un único valor, las distintas incerti-
dumbres vinculadas a las acciones y a la resistencia de
la estructura. El método LRFD considera estados lími-
tes de servicio y de resistencia. Éstos últimos son los
que se vinculan a la seguridad estructural y se verifican
mediante una comparación de esfuerzos (momentos
flectores, esfuerzos de corte, cargas axiales) según
corresponda. La identificación de los estados límites de
falla es una parte integral del proceso de diseño. La
combinación de cargas se realiza incluyendo factores
de carga que adoptan distintos valores según el estado
considerado; dichos valores surgen de consideraciones
estadísticas y reflejan las probables variaciones de las
acciones de diseño. La resistencia requerida o solicita-
ciones así obtenidas corresponden a estado último. La
resistencia de diseño incluye un factor de resistencia,
cuyo valor depende del tipo de estado límite (modo de
falla) considerado.
Desde el año 2005 las especificaciones AISC in-
corporaron un formato unificado en el que se incluye
en forma simultánea ambos métodos: LRFD y ASD.
No obstante ello, se presenta el método ASD con un
formato modificado con el objeto de mantener un
esquema de verificación similar al del método LRFD.
Es por ello que se aplica la verificación por estados
límite y los coeficientes de seguridad adoptan valores
diferentes según cada estado. El criterio de verificación
establece que la resistencia admisible, determinada
como la resistencia nominal, Rn, dividida por el coefi-
ciente de seguridad, , debe ser mayor que la resisten-
cia requerida, Ra, por las cargas externas:
Ra Rn / (1-3)
Las combinaciones de estados de carga requeridas
para el método ASD, según el reglamento ASCE/SEI
7-10, MinimumDesign Loads for Buildings and Other
Structures (ASCE, 2010) para determinar la resistencia
requerida Ra son:
1. D
2. D + L
3. D + (Lr o S o R)
4. D + 0.75 L + 0.75(Lr o S o R)
5. D + (0.6W o 0.7E)
6a. D + 0.75L + 0.75(0.6W) + 0.75(Lr o S o R)
6b. D + 0.75L + 0.75(0.7E) + 0.75S
7. 0.6D + 0.6W
8. 0.6D + 0.7E (1-4)
Al igual que en el caso de combinaciones de carga
para el método LRFD, se consideran adicionalmente
casos especiales como las cargas por hielo, inundacio-
nes, la acción resultante del impedimento de cambios
dimensionales y eventos extraordinarios (con baja
probabilidad de ocurrencia) como fuego, explosiones e
impacto de vehículos sobre las construcciones.
La Tabla 1-1, a modo de resumen, presenta los es-
tados límites de resistencia para miembros sometidos a
distintas solicitaciones, indicando en cada caso el valor
el factor de resistencia y del coeficiente de seguridad
requerido por el reglamento ANSI/AISC 360-10.
Para el caso de conexiones, se presentan los valores
correspondientes en la Tabla 1-2.
Tabla 1-1. Estados límites de resistencia y valores del
factor de resistencia y coeficiente de seguridad para
distintos casos.
Caso Estado límite de resistencia
Factor de resistencia
Coef. de seguridad
Miembros traccionados
Fluencia en el área neta
0.90 1.67
Rotura en el área bruta
0.75 2.00
Miembros comprimidos
Pandeo flexional 0.90 1.67
Pandeo torsional o flexo-torsional
0.90 1.67
Pandeo local 0.90 1.67
Miembros flexionados
Plastificación 0.90 1.67
Pandeo lateral-torsional
0.90 1.67
Pandeo local de ala
0.90 1.67
Pandeo local de alma
0.90 1.67
Miembros sometidos a corte
Fluencia por corte
0.90 1.67
Pandeo de alma 0.90 1.67
Tabla 1-2. Valores del factor de resistencia y coeficien-
te de seguridad para conexiones.
Caso Factor de
resistencia Coef. De
seguridad
Conexiones soldadas: metal base 0.90 1.67
Conexiones soldadas: soldadura 0.80 1.88
Conexiones soldadas: corte 0.75 2.00
Conexiones apernadas 0.75 2.00
Conexiones a deslizamiento crítico (ELS)
1.00 1.50
Conexiones a deslizamiento crítico (ELU)
0.85 1.76
4
Es importante aclarar que, actualmente, los regla-
mentos ANSI/AISC 360-10 y ANSI/AISC 341-10
incluyen ambos métodos, LRFD y ASD, en forma
paralela (cuando corresponde, se presentan las ecua-
ciones de verificación para cada método). No obstante
ello, en este texto se discutirán y presentarán ecuacio-
nes de verificación o dimensionamiento vinculadas
únicamente al método LRFD. Ello se debe, principal-
mente, a que este método representa un criterio más
moderno (el mismo que se usa para diseño de estructu-
ras de hormigón armado), que incorpora en forma ra-
cional las incertidumbres en la determinación de cargas
y resistencias. Además, el autor considera que la incor-
poración en paralelo del método ASD representa una
solución práctica, a los efectos de que los profesionales
que durante años o décadas usaron el método ASD
puedan realizar una adecuada transición hacia un pro-
cedimiento nuevo.
1.3 RIESGO SÍSMICO E INGENIERÍA SIS-
MORRESISTENTE
La humanidad ha experimentado a lo largo de su histo-
ria el efecto destructivo de los terremotos. En el siglo
XX, estas catástrofes naturales han ocasionado una
media anual del orden de 14.000 muertos, por encima
de otros desastres como ciclones, huracanes, inunda-
ciones, avalanchas y erupciones volcánicas (Kovach,
1995). Adicionalmente, originan cuantiosas pérdidas
económicas como resultado del daño en las obras de
infraestructura pública y construcciones privadas, lo
cual impacta negativamente en el desarrollo de las
zonas afectadas. Latinoamérica no es ajena a esta situa-
ción y muchos de sus países han sufrido el efecto de-
vastador de estos eventos.
En el año 1910 la Sociedad Sismológica de Améri-
ca identificó los tres aspectos principales del problema
sísmico: el terremoto en sí mismo (cuándo, dónde y
cómo ocurren los sismos), el movimiento del terreno
asociado y su efecto sobre las construcciones (McGui-
re, 2004). Los dos primeros aspectos representan la
peligrosidad o amenaza sísmica de un determinado
lugar, mientras que el tercer aspecto se vincula la vul-
nerabilidad. Ésta puede definirse como la susceptibili-
dad o predisposición de las construcciones a sufrir
daño ante la ocurrencia de fenómenos desestabilizantes
de origen natural o antropogénico. A partir de conside-
raciones holísticas, algunos autores amplían el concep-
to de vulnerabilidad considerando no sólo las obras o
construcciones sino toda la comunidad.
El riesgo sísmico, en términos generales, puede in-
terpretarse como una medida de las pérdidas potencia-
les (económicas, sociales, ambientales, etc.) que pue-
den originar los sismos en un periodo de tiempo especi-
ficado. Desde un punto de vista más técnico, el riesgo
sísmico surge como resultado de la interacción de dos
variables principales: la amenaza sísmica y la vulnera-
bilidad (para más información sobre el tema consultar
el trabajo de Carreño et al, 2005). De ahí la importancia
de no confundir amenaza y riesgo, como muchas veces
ocurre en la práctica. En resumen, la amenaza sísmica
describe el potencial que presenta el fenómeno, por
ejemplo en términos de sacudimiento, y que obviamen-
te puede resultar en consecuencias desfavorables para
la sociedad y sus obras de infraestructura. El riesgo
sísmico cuantifica la probabilidad de ocurrencia de esas
consecuencias.
No es posible actualmente modificar la amenaza
sísmica, pero la ingeniería sí dispone de soluciones
para reducir la vulnerabilidad de las construcciones, y
por ende el riesgo sísmico. La experiencia recogida a lo
largo de décadas indica, sin lugar a dudas, que el daño
producido por los sismos puede controlarse y reducirse
a niveles aceptables mediante medidas sistemáticas de
prevención. La formulación de estas medidas debe
realizarse en forma integral, con criterio multidiscipli-
nario e incluyendo no solo aspectos ingenieriles, sino
también consideraciones sociales, educacionales, de
manejo de emergencia, etc. No obstante ello, es obvio
que uno de los aspectos claves para asegurar el éxito de
este proceso se vincula con la seguridad estructural de
las construcciones sismorresistentes.
La ingeniería estructural sismorresistente es una
disciplina relativamente nueva y resulta difícil indicar
con precisión cuándo y dónde se originó. Lo cierto es
que surgió como una necesidad imperiosa para contro-
lar el efecto de los sismos. Los terremotos de San
Francisco, EEUU, en 1906, y de Mesina, Italia, en
1908, pueden considerarse como dos hechos claves que
mostraron la vulnerabilidad de los centros urbanos
ubicados en zonas sísmicas y originaron un cambio
significativo en los criterios de cálculo de la época.
Como resultado de ello, y teniendo en cuenta las ob-
servaciones realizadas, se propuso considerar una fuer-
za estática horizontal para representar el efecto sísmico,
cuyo valor se estimaba como un 10% del peso de la
construcción. De esta forma se trataba de representar,
en forma simplificada, pero racional, la naturaleza
dinámica del problema y los efectos inerciales produci-
dos por la vibración sísmica sobre la masa de la cons-
trucción. Posteriormente, la experiencia recogida in
situ tras la ocurrencia de terremotos, la investigación
analítica y experimental y el desarrollo de reglamentos
de diseño sismorresistente han contribuido para un
avance continuo y significativo durante los últimos 100
años.
En la actualidad la ingeniería sismorresistente dis-
pone de soluciones adecuadas que, mediante el uso de
distintos materiales estructurales, sistemas constructi-
vos, dispositivos innovadores para el control de vibra-
ciones, criterios de diseño y métodos de análisis con-
fiables, permiten reducir el riesgo sísmico.
Sin embargo, la reducción del riesgo sísmico no se
ha alcanzado en forma uniforme a escala mundial. Ello
se debe a distintas razones, algunas de las cuales no son
de carácter técnico o ingenieril. Es por ello que uno de
los mayores desafíos, particularmente en Latinoaméri-
5
ca, es lograr la implementación práctica de las solucio-
nes que la ingeniería sismorresistente ha desarrollado
tanto para construcciones nuevas como para la rehabili-
tación de estructuras existentes que no cumplen con los
niveles de seguridad requeridos en la actualidad. Uno
de los problemas que se observa reiteradamente en
muchos lugares afectados por terremotos es la discre-
pancia entre los criterios de diseño y la estructura real-
mente construida. Por desconocimiento, negligencia o
razones de costo, se realizan modificaciones en obra
que luego conducen a daño o colapso de los componen-
tes estructurales.
1.4 ESTRUCTURAS DÚCTILES DE ACERO
1.4.1 El acero como material estructural
El acero de uso estructural es un material de fabrica-
ción industrializada, lo cual asegura un adecuado con-
trol de calidad. Este material se caracteriza por una
elevada resistencia, rigidez y ductilidad (esto es capa-
cidad de soportar deformaciones plásticas sin disminuir
su capacidad resistente), por lo cual su uso es muy
recomendable para construcciones sismorresistentes.
En el diseño y verificación de componentes estruc-
turales de acero, uno de los parámetros mecánicos más
importantes es la tensión mínima de fluencia, Fy. Adi-
cionalmente, en algunos estados límites vinculados con
la fractura se aplica la resistencia de tracción, Fu. Am-
bos parámetros son propiedades nominales del acero
especificado. Los aceros convencionales presentan
resistencias menores y mayor ductilidad, mientras que
los aceros de alta resistencia en general presentan una
ductilidad reducida (ver Figura 1-1). Esta es la razón
por la cual las especificaciones sísmicas ANSI/AISC
341-10 limitan la tensión mínima de fluencia a 345
MPa en componentes donde se espera que se desarrolle
comportamiento inelástico. Para el caso de estructuras
con ductilidad limitada este límite se incrementa a 380
MPa (sistemas “ordinarios”, según se explica en los
capítulos correspondientes a cada sistema estructural).
Fig. 1-1. Curvas tensión-deformación para tres aceros
ASTM.
Los procedimientos de diseño para algunos siste-
mas estructurales se basan en la aplicación del método
de diseño por capacidad (el cual se presenta con más
detalle en el Capítulo 2 de este libro). Este método
requiere, en ciertos casos, estimar en forma realista la
resistencia esperada de los componentes estructurales,
en lugar de la resistencia de diseño obtenida a partir de
la tensión de fluencia mínima Fy o de la resistencia de
tracción, Fu. Para cuantificar el incremento de la resis-
tencia real o esperada de los componentes estructurales,
en relación a la resistencia nominal, se define el factor
Ry como la relación entre la tensión de fluencia espera-
da y la tensión mínima de fluencia, Fy. Con igual crite-
rio, para el caso de fractura se define el factor Rt como
la relación entre la resistencia de tracción esperada y la
resistencia Fu. Estos dos factores, que cuantifican la
sobrerresistencia del material, deben determinarse
estadísticamente a partir de información experimental
obtenida del ensayo de probetas de acero, por lo cual
sus valores podrían cambiar de un país a otro.
Para el caso de los aceros fabricados bajo normas
ASTM, el factor Ry varía entre 1.1 y 1.6, y el factor Ru
varía entre 1.1 y 1.3, dependiendo del tipo de acero y
de la forma del componente estructural (planchuelas,
tubos o perfiles) y se define en la Tabla A3.1 del re-
glamento ANSI/AISC 341.10. Los valores de Ry y Ru
pueden adoptarse a partir de resultados experimentales
obtenidos de ensayos realizados según normas ASTM,
utilizando materiales y dimensiones similares al mate-
rial a emplear en la obra.
Las curvas tensión-deformación del acero (como las
indicadas en la Figura 1-1) son modificadas por la
velocidad de deformación (strain rate). En los aceros
estructurales se observa que la tensión de fluencia y la
resistencia a tracción aumentan en la medida que se
incrementa la velocidad de deformación. Los resulta-
dos de ensayos indican que este incremento es del
orden del 5 al 10% para los niveles de velocidad de
deformación esperados en una estructura sometida a un
terremoto (Bruneau, et al. 2011). Es por ello que este
efecto usualmente se desprecia en el análisis y diseño
de estructuras sismorresistentes, sin embargo, es un
aspecto crucial que sí debe considerarse en el caso de
estructuras de acero diseñadas para resistir explosiones
o impacto de vehículos.
Otro aspecto importante a considerar en el acero es
el efecto Bauschinger. Cuando el material se somete a
una carga monotónica, el inicio de la fluencia se obser-
va claramente en el diagrama tensión-deformación
mediante un quiebre pronunciado (ver curvas para
aceros A36 y A572 en Figura 1-1). Sin embargo, cuan-
do las cargas se aplican en forma cíclica, luego de
incursionar en rango plástico, el paso de la rama de
carga o recarga (con pendiente proporcional al módulo
de elasticidad E) a la rama de fluencia se produce en
forma gradual, sin mostrar un quiebre marcado del
diagrama., como se indica en la Figura 1-2. Este com-
portamiento particular del acero se conoce como efecto
Bauschinger y sus causas pueden explicarse a partir de
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Deformación (mm/mm)
Ten
sió
n (
MP
a)
A514
A572
A36
6
consideraciones basadas en la estructura policristalina
del material y de los planos de deslizamiento que se
producen cuando el material fluye (para más detalles
consultar Bruneau et al., 2011).
Cuando se emplean perfiles pesados, esto es con
espesores iguales o mayores a 38 mm, las especifica-
ciones sísmicas requieren que se realicen ensayos de
Charpy sobre probetas con muesca en V (Charpy V-
notch test) a los efectos de verificar que la energía
absorbida en el impacto sea mayor que 27 J a 21 oC.
Esta misma condición debe verificarse en el caso de
placas de acero con espesores iguales o mayores de 50
mm que se emplearán en miembros armados, en placas
de conexión donde se espera el desarrollo de deforma-
ciones plásticas bajo la acción del sismo y en el núcleo
de riostras de pandeo restringido. La Figura 1-3 mues-
tra las características de una probeta típica y un esque-
ma del dispositivo de ensayos. Es importante recordar
que este ensayo cuantifica la energía requerida para
fracturar la probeta (con entalladura) mediante la medi-
ción de la altura inicial y final de un péndulo que im-
pacta sobre la misma.
Fig. 1-2. Efecto Bauschinger en la respuesta cíclica del
acero.
Si bien las ventajas del acero como material estruc-
tural son significativas, es importante también conocer
sus limitaciones, de modo de poder contrarrestar sus
efectos negativos. El acero usualmente se considera
como un material isotrópico, sin embargo, los datos
experimentales indican que puede exhibir efectos de
anisotropía en términos de resistencia y ductilidad. Ello
se debe a la presencia elementos no-metálicos o inclu-
siones en la constitución del acero, los cuales son apla-
nados durante el proceso de laminación. Estas inclu-
siones actúan como micro-fisuras planas que debilitan
el material, particularmente cuando se somete a trac-
ción en la dirección perpendicular a la que fue lamina-
do (ver Figura 1-4). Este fenómeno se conoce como
desgarramiento laminar (lamellar tearing) y afortuna-
damente no es significativo, salvo en secciones con
placas gruesas o perfiles pesados donde además se
generan fuertes restricciones de deformación por sol-
dadura. En la actualidad el problema del desgarramien-
to laminar ha sido controlado mediante la reducción del
contenido de inclusiones y adecuados detalles de unio-
nes soldadas. Una solución efectiva es diseñar cone-
xiones soldadas con biseles profundos que penetran en
las secciones a ser soldadas, evitando de ese modo
inducir tensiones de tracción perpendiculares a la su-
perficie de la placa. No obstante ello, el problema del
desgarramiento laminar puede ser un aspecto importan-
te a considerar en la rehabilitación de estructuras de
acero existentes, construidas cuando este fenómeno y
sus consecuencias no se conocían adecuadamente.
Fig. 1-3.Esquema del ensayo de Charpy y su probeta
Fig. 1-4. Fenómeno de desgarramiento laminar.
Otra característica inconveniente del acero se rela-
ciona con el fenómeno de fatiga, por el cual se produce
la falla prematura del material bajo la repetición de
ciclos de carga. Ello es consecuencia de la propagación
Tensión, F
Deformación,
E
Fy
-Fy
E
E
Efecto
Bauschinger
Efecto
Bauschinger
10mm
10m
m
55mm
Probeta
Ensayo
Hf
Hi
7
de fisuras iniciadas en imperfecciones o dislocaciones
en la estructura cristalina del material. La información
experimental disponible indica que deben considerarse
dos casos o situaciones diferentes: fatiga de alto y bajo
ciclaje.
La fatiga de alto ciclaje ocurre por la repetición de
una gran cantidad de ciclos de carga y la falla se pro-
duce por fractura a un nivel de tensiones menor que la
resistencia a tracción e incluso menor que tensión de
fluencia, obtenida del ensayo monotónico de tracción.
Este fenómeno puede afectar puentes sometidos a la
acción variable del tránsito vehicular, puentes grúa,
estructuras off-shore, componentes de máquinas, etc.
En el caso de la fatiga de bajo ciclaje, la fractura se
produce luego de la repetición de un número reducido
de ciclos en los que se han desarrollado deformaciones
plásticas. La falla ocurre a un nivel de deformaciones
menor que la deformación última del material obtenida
del ensayo monotónico de tracción. Es importante
resaltar que la evaluación experimental de la resistencia
a fatiga de bajo ciclaje obtenida con probetas puede ser
muy distinta de la que surge al ensayar componentes
estructurales completos. Esta diferencia se origina en la
significativa influencia que tienen las deformaciones
pláticas resultantes de la ocurrencia de pandeo local. El
efecto de fatiga de bajo ciclaje resulta en una disminu-
ción de la capacidad de deformación del acero en rango
plástico y por ende disminuye la ductilidad del material
y de la estructura. Es por ello que éste es un aspecto a
considerar en el diseño sismorresistente, debido a la
naturaleza dinámica del terremoto y a las hipótesis de
diseño que usualmente consideran el comportamiento
inelástico de la estructura.
Finalmente, debe recordarse que la ductilidad del
acero puede verse afectada por otros efectos o factores,
tales como la temperatura, los problemas relacionados
con la soldadura (calentamiento-enfriamiento, fragili-
zación por hidrógeno) y las técnicas de fabricación
(corte, perforación ,etc). La discusión detallada de estos
aspectos se encuentra fuera del alcance de esta publica-
ción (el texto de Bruneau et al., 2011, presenta una
completa discusión de estos temas). La presencia de
tensiones residuales, inducidas tanto en el proceso de
laminación como en las zonas afectadas por la soldadu-
ra, no tiene un efecto significativo en la ductilidad del
material. Estas tensiones, que representan un sistema
auto-equilibrado, se consideran en el diseño mediante
un criterio práctico simplificado que consiste en reducir
el límite de fluencia.
1.4.2 Aspectos generales del comportamiento es-
tructural
La estructura de acero es un sistema formado por
miembros vinculados entre sí mediante conexiones, de
modo que todo el conjunto cumpla con las condiciones
de estabilidad, resistencia y rigidez requeridas para un
adecuado desempeño. Las ventajas del acero, en rela-
ción a su adecuada resistencia a tracción y ductilidad,
son válidas también para todo el sistema estructural. El
mayor desafío en el diseño de estructuras de acero
consiste en limitar o controlar los problemas de inesta-
bilidad en miembros o zonas localizadas sometidas a
compresión. Puede definirse la condición de estabilidad
como la capacidad de los miembros, placas y elemen-
tos de acero sometidos a compresión de mantener su
posición inicial de equilibrio y de soportar las cargas
que los solicitan. El estudio detallado de los fenómenos
de inestabilidad puede encontrarse en la bibliografía
especializada (las referencias más completas son Ga-
lambos, 1998 y Ziemian, 2010).
Los fenómenos de inestabilidad pueden agruparse
en dos tipos principales. El primero comprende aque-
llos fenómenos de inestabilidad que abarcan todo o
gran parte de un miembro de acero, por lo que se de-
nomina pandeo global. En este grupo se incluyen va-
rios estados límites, como el pandeo flexional, torsional
y flexo-torsional en miembros comprimidos y el pan-
deo lateral-torsional en miembros flexionados.
El segundo grupo de problemas de inestabilidad se
relaciona con el pandeo localizado de las placas o
componentes de las secciones metálicas, y se denomina
pandeo local o abollamiento.
Con el objeto de ilustrar estos conceptos, la Figura
1-5 muestra el caso de pandeo global de una riostra
debido a los esfuerzos de compresión generados por la
acción del sismo de Hyogo-ken Nanbu (Kobe), Japón,
en 1995, mientras que la Figura 1-6 presenta ejemplos
de pandeo local o abollamiento correspondientes a
ensayos de laboratorio para dos tipos de secciones.
Fig. 1-5. Pandeo de una riostra, terremoto de Hyogo-
ken Nanbu, Japón (Cortesía de National Information
8
Service for Earthquake Engineering, EERC, University
of California, Berkeley).
Como se mencionó previamente, el pandeo lateral-
torsional es un problema de inestabilidad que puede
afectar a los miembros flexionados, caso típico de las
vigas en estructuras de pórticos. Este problema se ori-
gina por el pandeo lateral de la parte comprimida de la
viga, que es parcialmente restringido por la parte trac-
cionada (que actúa como un elemento estabilizante). En
edificios con entrepisos que pueden considerarse como
diafragmas rígidos (por ejemplo, losas de hormigón
armado) el ala superior de las vigas usualmente se
encuentra impedida de desplazarse lateralmente. El ala
inferior de la viga puede también estar sometida a
compresión, por ejemplo por la acción de momentos
flectores inducidos por sismos. En esos casos es nece-
sario arriostrar dicha ala para impedir el desplazamien-
to lateral en ciertos puntos y controlar así la ocurrencia
del pandeo lateral-torsional.
Fig. 1-6. Ejemplos de pandeo local (a) en la base de
una columna sometida a compresión y flexión y (b) en
un tubo comprimido
1.4.3 Clasificación de secciones
El pandeo local es un fenómeno complejo, propio de
las secciones de acero (perfiles laminados y secciones
armadas), las cuales están formadas por placas delga-
das en relación a las dimensiones de la sección, para
lograr un uso óptimo del material. El tratamiento ma-
temático de este tipo de pandeo es complejo, particu-
larmente en rango inelástico, razón por la cual las espe-
cificaciones de diseño usualmente consideran una veri-
ficación indirecta y simplificada de este fenómeno. En
el caso de la reglamentación AISC, un aspecto funda-
mental para la evaluación y control del problema de
pandeo local es la clasificación de secciones de acero
en dos o tres grupos a partir de la relación anchura-
espesor, b/t o h/tw, de los elementos componentes de la
sección (algunos autores denominan como esbeltez
local a esta relación, por analogía con el fenómeno de
pandeo global).
En el caso de miembros flexionados, las secciones
se clasifican en tres grupos, según las siguientes con-
diciones:
Secciones compactas: las alas están vinculadas en
forma continua con el alma o las almas y todos los
elementos comprimidos cumplen que la relación
anchura-espesor no excede el valor λp
Secciones no compactas: todos los elementos com-
primidos cumplen que la relación anchura-espesor
no excede el valor λr
Secciones esbeltas: al menos un elemento compri-
mido cumple que la relación anchura-espesor es
mayor que λr
En el caso de miembros comprimidos, las secciones se
clasifican en dos grupos, según las siguientes condi-
ciones:
Secciones no esbeltas: todos los elementos compo-
nentes cumplen que la relación anchura-espesor es
menor o igual que el valor λr
Secciones esbeltas: al menos un elemento cumple
que la relación anchura-espesor es mayor que λr
donde λp y λr son esbelteces límites cuyo valor se de-
termina a partir de la Tabla B4.1a del reglamento AN-
SI/AISC 360-10, según el tipo de elemento, el estado
de solicitación y de otras características de la sección.
En la mencionada tabla se consideran elementos no
rigidizados, que son aquellos que tienen un solo borde
vinculado en la dirección paralela a la fuerza de com-
presión, y elementos rigidizados, que presentan sus dos
bordes vinculados.
A modo de ejemplo, si se considera un perfil lami-
nado I, Figura 1-7, sometido a flexión los valores lími-
tes son:
Ala (elemento no rigidizado):
y
r
y
pF
E00.1λ ,
F
E0.38λ
Alma (elemento rigidizado):
y
r
y
pF
E70.5λ ,
F
E76.3λ
Fig. 1-7. Ejemplo de una sección formada por un
perfil laminado I (AISC 2010b).
La Figura 1-8 presenta un esquema general donde
se muestra el efecto que la clasificación de secciones
t
w
b
t h
9
tiene para el diseño de vigas y columnas. En el caso de
miembros comprimidos con secciones esbeltas se con-
sidera la posibilidad de ocurrencia del pandeo local,
para lo cual se define un factor de reducción Q que
disminuye la tensión crítica con la cual se realiza la
verificación. Si la sección de la columna es no esbelta
sólo se consideran los estados límites de pandeo global.
Para el diseño de miembros flexionados las especi-
ficaciones ANSI/AISC 360-10 consideran que la plas-
tificación de la sección se logra sólo en el caso de sec-
ciones compactas. Para los otros dos tipos de seccio-
nes, el momento nominal, Mn, es menor que el momen-
to de plastificación de la sección, Mp, de modo de con-
siderar la ocurrencia del pandeo local. Se considera que
las secciones compactas pueden desarrollar una capaci-
dad de rotación de 3 (esto es la rotación máxima es 3
veces la rotación de fluencia), antes de que se inicie en
alguno de los elementos el pandeo local. Las secciones
no compactas pueden desarrollar fluencia en forma
parcial, dado que la ocurrencia del pandeo local no
permite la formación de una rótula plástica. Por último,
las secciones esbeltas no permiten el desarrollo de la
fluencia en la sección porque el pandeo local ocurre
primero.
Fig. 1-8. Clasificación de secciones de acero para
definir la consideración del pandeo local en vigas y
columnas.
En el caso de miembros de acero que forman parte
de estructuras sismorresistentes las especificaciones
ANSI/AISC 341-10 incluyen una clasificación de las
secciones por ductilidad, con el objeto de controlar el
pandeo local y asegurar que se desarrollan deformacio-
nes plásticas. Para ello se definen dos valores límites
para la relación anchura-espesor de los elementos com-
ponentes de las secciones para miembros con moderada
ductilidad, λmd, y alta ductilidad, λhd, (Tabla D1.1,
ANSI/AISC 341-10). El reglamento requiere que los
miembros diseñados para desarrollar ductilidad mode-
rada cumplan la condición de que todos los elementos
comprimidos de la sección tengan una relación anchu-
ra-espesor que no exceda el valor λmd. En el caso de
miembros diseñados para alta ductilidad, dicha relación
no debe exceder el límite λhd (el cual es menor, esto es
más estricto que el límite anterior). Esta situación se
representa gráficamente en la Figura 1-9, donde se
muestra, mediante un gráfico momento-rotación, el
efecto del tipo de sección en la respuesta esperada para
una viga I de acero. Los datos experimentales indican
que las secciones que cumplen los requerimientos de
alta ductilidad pueden desarrollar una rotación plástica
de 0.04 rad o más, mientras que en las secciones com-
pactas se puede alcanzar una rotación plástica de 0.02
rad, aproximadamente.
Si se analiza nuevamente el ejemplo de la Figura 1-
7, pero considerando ahora el caso de un miembro a
flexión con requerimientos de ductilidad, los límites
para la relación anchura-espesor son:
Ala (elemento no rigidizado):
y
md
y
hdF
E38.0λ ,
F
E0.30λ
Alma (elemento rigidizado):
125.0C si
F
E49.1)93.21(
F
E77.0λ
125.0C si )93.01( F
E45.2λ
a
yy
hd
a
y
hd
a
a
C
C
125.0C si
F
E49.1)33.21(
F
E12.1λ
125.0C si )75.21( F
E76.3λ
a
yy
hd
a
y
md
a
a
C
C
donde Ca es un factor que representa la relación entre la
carga de compresión actuante en el miembro y la resis-
tencia de diseño.
Fig. 1-9. Comportamiento flexional de una viga I en
base al tipo de sección (efecto del pandeo local).
1.4.4 Efectos de segundo orden
10
Los efectos de segundo orden son aquellos inducidos
por las cargas actuando en la configuración deformada
de la estructura, es decir que se trata de un problema de
no linealidad geométrica. En el caso particular de car-
gas gravitatorias, P, a medida que la estructura se de-
forma por la acción del sismo, las cargas gravitatorias
inducen un momento adicional que es proporcional al
desplazamiento lateral δ. A este caso particular de
efecto de segundo orden se lo denomina efecto P-Delta
Para analizar la influencia del efecto P-Delta en la
respuesta global de la estructura se presenta en la Figu-
ra 1-10 el caso de un sistema simple de un grado de
libertad sometido a una fuerza lateral F, la cual origina
un desplazamiento δ. Las cargas gravitatorias P tam-
bién se desplazan generando un momento de vuelco
que se suma al inducido por la fuerza F, de modo que
en un instante dado M = F h + P δ. Este incremento del
momento de vuelco es equivalente a la acción de una
fuerza lateral adicional, igual a P δ / h, la cual reduce la
resistencia lateral de la estructura. Adicionalmente, el
efecto de P-Delta disminuye la rigidez lateral, la cual
eventualmente puede tomar valores negativos en la
zona de comportamiento inelástico.
Fig. 1-10. Influencia del efecto P-Δ en la respuesta
global de la estructura.
Desde el punto de vista del diseño estructural, es
necesario preguntarse cuáles son las consecuencias del
efecto P-Delta. Como se deduce de la Figura 1-10, éste
produce un aumento en los desplazamientos, dado que
la rigidez real de la estructura disminuye, y un aumento
de la resistencia requerida (solicitaciones). La mayoría
de los códigos de diseño consideran algún índice o
factor para cuantificar la importancia del efecto P-
Delta. Usualmente se considera un índice de estabili-
dad que depende de las cargas gravitatorias, del corte
basal y de los desplazamientos laterales. En el caso de
las especificaciones Minimum Design Loads for Buil-
dings and Other Structures (ASCE, 2010) se considera
que el efecto P-Delta es despreciable cuando el índice
de estabilidad, θ, evaluado en cada nivel de la cons-
trucción, cumple la siguiente condición:
1.0Ch V
I Δ Pθ
d
e (1-5)
donde P es la carga vertical total actuando en el nivel
considerado (en la evaluación de P no es necesario
considerar factores de carga mayores a 1.0), Δ es el
desplazamiento relativo de piso, Ie es el factor de im-
portancia, V es el corte en el nivel, h la altura del piso y
Cd es el factor de amplificación de desplazamientos. El
concepto y evaluación de Δ y Cd se presentan en el
Capítulo 2.
Se dispone de diversos procedimientos para consi-
derar en el análisis estructural el efecto P-Delta, los
cuales presentan distinto grado de complejidad y preci-
sión. Las especificaciones ANSI/AISC 360-10 inclu-
yen un método simplificado que considera la amplifi-
cación de momentos obtenidos de dos análisis elásticos
de primer orden. La mayoría de los programas de aná-
lisis estructural cuentan hoy con distintas opciones para
considerar este efecto. Una de las alternativas más
usadas consiste en calcular la rigidez global de la es-
tructura incluyendo una matriz de rigidez geométrica.
De esta forma es posible determinar sin iteraciones el
aumento de solicitaciones y desplazamientos resultante
del efecto P-Delta, tanto en análisis estáticos como
dinámicos. Finalmente, otros métodos plantean el pro-
blema como un caso general de no linealidad geométri-
ca aplicando procedimientos iterativos (Wilson, 2010).
1.4.5 Comportamiento sísmico de las estructuras
de acero
El acero es el material más dúctil entre aquellos de uso
estructural. Sin embargo, es un error grave considerar
que esta propiedad inherente al material se traslada
automáticamente al sistema estructural. Las investiga-
ciones desarrolladas en los últimos 30 años han demos-
trado que para asegurar el comportamiento dúctil de las
estructuras es necesario suministrar adecuada ductili-
dad no sólo a nivel del material, sino también a nivel
seccional y de los miembros que componen el sistema
(columnas, vigas, riostras, conexiones). Para ello se
debe, en primer lugar, identificar y conocer las condi-
ciones que pueden conducir a mecanismos de falla
frágil y, luego, adoptar estrategias de diseño para obte-
ner una respuesta estable y con adecuada capacidad de
disipación de energía. El diseño y detalle de las cone-
xiones entre los distintos componentes estructurales es
un aspecto de fundamental importancia para alcanzar
Desplazamiento
Fue
rza
late
ral
d
P d/ h
11
estos objetivos. Antes de 1988, en general, no se dis-
ponía de especificaciones reglamentarias para el ade-
cuado detalle de estructuras sismorresistentes de acero
(Bruneau et al., 1998). Afortunadamente esta situación
se ha revertido y en la actualidad se cuenta con especi-
ficaciones que se consideran seguras y confiables.
En el caso de estructuras sismorresistentes, el con-
trol de los fenómenos de inestabilidad resulta más
importante aún que en las estructuras comunes, dado
que su ocurrencia degrada la respuesta en términos de
resistencia y rigidez, disminuyendo así su capacidad de
disipar energía. Las especificaciones de diseño inclu-
yen requerimientos específicos al respecto, particular-
mente en aquellas zonas donde se espera que se desa-
rrollen deformaciones plásticas (por ejemplos, rótulas
plásticas en vigas, zonas de fluencia por tracción o
corte, etc).
Los edificios con estructura de acero, han sido
construidos desde hace muchas décadas, principalmen-
te en países desarrollados económica y tecnológica-
mente. Los terremotos de Northridge, USA, ocurrido
en 1994 (Magnitud Richter 6.8) y de Hyogo-ken Nanbu
(Kobe), Japón, en 1995 (Magnitud Richter 7.2) que
afectaron zonas de dos países que son considerados
líderes en la ingeniería sismorresistente, representaron
pruebas severas para las construcciones de acero (Ber-
tero et al., 1994; Tremblay et al., 1996). En ambos
terremotos no se registraron colapsos de edificios con
estructura de acero y las primeras inspecciones realiza-
das inmediatamente después del sismo (usualmente
desde el exterior del edificio) indicaron un adecuado
comportamiento, sin daños observables a simple vista.
Esta situación se consideró como un éxito de la inge-
niería y de la industria de la construcción en acero. Sin
embargo, los estudios más detallados que se realizaron
posteriormente revelaron que un número importante de
edificios, muchos de los cuales fueron diseñados con
reglamentaciones modernas, se encontraban seriamente
afectados. Varias semanas después de ocurrido el te-
rremoto, equipos especializados realizaron inspeccio-
nes con el objeto de investigar la ocurrencia de despla-
zamientos laterales residuales de importancia. Para
ello, se debieron remover los elementos arquitectónicos
y la protección contra fuego que usualmente cubren la
estructura de acero (ver Figura 1-11).
Los daños afectaron distintos tipos de estructuras de
acero, pero los problemas más sorprendentes y serios
se registraron en pórticos resistentes a momento (sin
arriostramientos), donde se observó un inadecuado
comportamiento de las conexiones, particularmente en
los nudos viga-columna, con la ocurrencia de distintos
tipos de falla por fractura de soldaduras y placas (ver
Figuras 1-12 y 1-13).
Como resultado de los daños observados en el te-
rremoto de Northridge, se implementó en Estados Uni-
dos un programa de investigación analítico-
experimental de gran alcance, destinado a analizar las
causas de las fallas relevadas y a proponer soluciones
aplicables tanto al diseño de nuevas construcciones
como a la reparación de las existentes. Este programa,
denominado SAC (siglas surgen del nombre de las tres
organizaciones norteamericanas que forman el consor-
cio: SEAOC, ATC y CUREE) comprendió tres etapas:
(i) el estudio de las prácticas de diseño y constructivas
previas al terremoto de Northridge, (ii) el análisis de
las fallas y sus causas y (iii) el desarrollo de nuevos
criterios de diseño y detalles para las conexiones.
Fig. 1-11.Edificio bajo inspección para observar los
daños causados por el terremoto en las conexiones
viga-columna (Earthquake Engineering Research
Institute, Slides on the January 17, 1994,Northridge
Earthquake, Set I:An Overview).
Fig. 1-12. Fractura en una placa de base de columna
de una estructura de pórtico arriostrado (Earthquake
Engineering Research Institute, Slides on the January
17, 1994, Northridge Earthquake, Set I:An Overview).
El programa SAC permitió obtener importantes re-
sultados analíticos y experimentales, de modo que
actualmente se dispone de valiosa información al res-
pecto publicada por Federal Emergency Managment
Agency (FEMA 2000a, 2000b, 2000c, 2000d, 2000e,
2000f). Esta información ha sido incorporada en las
especificaciones sísmicas de AISC (AISC 2010a y
12
AISC 2010c) y en recomendaciones de diseño (Miller,
2006). Para mayor información y acceso a las publica-
ciones consultar la página web:
http://www.sacsteel.org.
Los resultados obtenidos del programa SAC indican
que las causas que llevaron a la ocurrencia de las fallas
observadas son múltiples. Entre las más importantes,
puede mencionarse:
El uso de electrodos inadecuados, que no califican
para obtener valores de resiliencia requeridos ac-
tualmente. Los ensayos realizados sobre probetas
obtenidas de edificios con daños por fractura mos-
traron valores muy reducidos de resiliencia (me-
diante ensayo de Charpy en probetas con muesca
en V).
La práctica constructiva de dejar elementos de
respaldo (steel backing) que, si bien sirven durante
el proceso de soldadura de cordones de penetración
completa, generan problemas en la raíz de la sol-
dadura (ver Figura 1-14)
La presencia de defectos en la raíz de la soldadura,
que no fueron detectados mediante ensayos de ul-
trasonido.
El uso de prácticas constructivas no recomendadas,
como el calentamiento excesivo de las piezas a sol-
dar para aumentar la velocidad de deposición del
material de soldadura,
Otros efectos adversos, tales como deformaciones
de corte excesivas en el panel nodal, efectos de ve-
locidad de deformación (strain rate), efectos de in-
teracción con losas de hormigón armado, etc.
Fig. 1-13. Fractura de la soldadura de penetración
completa en una conexión de pórtico resistente a mo-
mento (Earthquake Engineering Research Institute,
Slides on the January 17, 1994, Northridge Earthqua-
ke, Set I:An Overview).
Los nuevos criterios de diseño y detalles construc-
tivos para conexiones viga-columna se describen en el
Capítulo 3.
También se han observado fallas frágiles por fractu-
ra y problemas de inestabilidad en pórticos arriostrados
concéntricamente, que originan un comportamiento no
dúctil de la estructura. En las Figuras 1-15, 1-16 y 1-
17 se reproducen fotografías con ejemplos de estos
tipos de fallas, observadas durante el terremoto de
Hyogo-ken Nanbu (Kobe), Japón, en 1995.
Fig. 1-14. Detalle de la soldadura en el ala inferior de
una viga.
Fig. 1-15. Fractura de una riostra en X en la sección
neta (Naeim, 2001).
El terremoto de Tohoku, Japón, ocurrido el 11 de
marzo de 2011 con una magnitud MW=9, produjo daño
en construcciones diversas, y particularmente en es-
tructuras de acero. Las Figuras 1-18, 1-19 y 1-20 mues-
tran algunos ejemplos de estos daños. Sin embargo, en
la mayoría de los casos, los problemas observados
corresponden a estructuras que fueron diseñadas y
construidas hace varias décadas, es decir de acuerdo a
reglamentos que no se consideran actualizados y segu-
Respaldo
13
ros. De modo que estos problemas no deben interpre-
tarse como un fracaso de la ingeniería sísmica, sino por
el contrario una demostración de que las estructuras
modernas presentan un grado de seguridad adecuado.
Fig. 1-16. Daño severo en la viga y conexión de un
pórtico con arriostramientos en V invertida (Naeim,
2001).
Fig. 1-17. Fractura en una conexión soldada (Naeim,
2001).
Fig. 1-18. Fractura de riostras en la zona de conexión
(Midorikawa et al., 2012).
Fig. 1-19. Pandeo local en el extremo de una riostra de
acero (Midorikawa et al., 2012).
Fig. 1-20. Distorsión del primer piso de una estructura
aporticada (Midorikawa et al., 2012).
1.5 ESTRUCTURAS CON SECCIONES COM-
PUESTAS
1.5.1 Aspectos generales
En el ámbito de la ingeniería civil, el término “cons-
trucción compuesta” se aplica, en general, para indicar
el uso de dos o más materiales distintos, los cuales se
combinan de manera tal que el material resultante pre-
senta un mejor comportamiento que el de los compo-
nentes individuales. Sin embargo, el mismo término se
usa frecuentemente para el caso particular de miembros
construidos con acero estructural y hormigón. Con el
mismo significado, se emplean también las denomina-
ciones de “construcción mixta” o “construcción híbri-
da”.
Los miembros estructurales de sección compuesta
de acero y hormigón se han usado, en diversas formas,
desde fines del siglo XIX. Esta combinación permite
aprovechar en forma sinérgica las ventajas de ambos
materiales, de modo de contrarrestar las desventajas de
cada uno de ellos.
Las primeras aplicaciones, en puentes y en edifi-
cios, se realizaron con perfiles laminados o armados
embebidos en hormigón, tanto para vigas como para
columnas. El uso del sistema se fue extendiendo, prin-
14
cipalmente en Norteamérica y Europa, lo cual impulsó
el desarrollo de los primeros estudios analíticos y expe-
rimentales en distintas lugares con el objetivo de eva-
luar la resistencia y desarrollar procedimientos de dise-
ño. Paralelamente, se implementaron distintos tipos de
conectores de corte, los cuales permiten mejorar el
comportamiento conjunto entre acero y hormigón (las
primeras patentes comerciales se registraron en Estados
Unidos de América en 1903 y 1926, Viest et al., 1997).
Los desarrollos continuaron con aplicaciones de la
construcción compuesta para losas, muros con perfiles
de acero embebidos y, más recientemente, para muros
con placas de acero rellenos de hormigón
En la práctica actual, es usual emplear miembros
compuestos en todas aquellas aplicaciones en que se
combina el acero estructural y el hormigón. El caso
más simple es de las construcciones con estructura de
acero y losas de hormigón, en las cuales se emplean
vigas compuestas, según se explica más adelante. En
otros casos, se usan miembros compuestos rellenos o
embebidos, logrando así el aprovechamiento óptimo de
ambos materiales.
La principal ventaja de la construcción compuesta
radica en la adecuada combinación del acero y hormi-
gón de modo de compensar la baja resistencia a trac-
ción del hormigón y evitar o minimizar los problemas
de inestabilidad del acero. El trabajo conjunto entre
ambos materiales (comportamiento compuesto) permi-
te aumentar no solo la resistencia de los miembros sino
también su rigidez.
Además de las ventajas estructurales, se pueden ob-
tener beneficios arquitectónicos y funcionales, por
ejemplo, losas de espesor reducido, vanos de vigas más
largos, etc. Adicionalmente, el hormigón contribuye a
mejorar la resistencia al fuego de los miembros com-
puestos.
Otra ventaja interesante de la construcción con
miembros compuestos es que permite agilizar el proce-
so constructivo, en comparación con una construcción
de hormigón convencional. Así por ejemplo, en el caso
de losas compuestas de hormigón con chapas de acero
se puede evitar el uso de encofrados y apuntalamiento.
Si además se usan vigas y columnas compuestas se
logran ventajas adicionales, como se ilustra en forma
simplificada en el ejemplo de la Figura 1.21 para una
construcción de 4 niveles. Inicialmente se comienza
con el montaje de la estructura de acero, vigas y co-
lumnas en el nivel inferior, Figura 1-21 (a). Luego, se
continua con el montaje de los miembros de acero en
los niveles intermedios, se preparan las losas compues-
tas en los niveles 1 y 2, y se hormigonan las columnas
del primer nivel, Figura 1-21 (b). En etapas sucesivas,
Figura 1-21 (c) se termina el montaje de la estructura
de acero y se completan los miembros compuestos
según el proyecto. Durante el proceso constructivo, la
estructura de acero debe resistir las distintas acciones
sin la colaboración del hormigón o con una colabora-
ción parcial de aquellos miembros ya terminados.
Fig. 1-21. Esquema del proceso constructivo en etapas
de una estructura con miembros compuestos, el cual
permite reducir significativamente el tiempo de ejecu-
ción de la obra.
1.5.2 Conectores de corte
El desarrollo del comportamiento compuesto requiere
que los dos materiales trabajen en forma integral me-
diante elementos que los vinculen o conecten, dado que
la adherencia entre el hormigón y los elementos de
acero con superficie lisa (perfiles, chapas, etc.) es prác-
ticamente nula. Es por ello que se han desarrollado e
implementado distintos tipos de conectores de corte,
los cuales usualmente se sueldan a los elementos de
acero que están en contacto con el hormigón.
La Figura 1-22 (a) muestra distintos tipos de conec-
tores, como pernos, trozos de perfiles ángulo o perfiles
U, planchuelas, etc. Otra alternativa es el uso de conec-
tores continuos, como los indicados en las Figuras 1-22
(b) y (c), formados por una barra de acero de refuerzo
la cual se dobla en zig-zag o una planchuela de acero
con cortes en la parte superior para lograr la transferen-
cia de esfuerzos entre ambos materiales. Estos son
algunos de los tipos más usuales, si bien en la práctica
se aplican una amplia variedad de alternativas, algunas
de las cuales están protegidas por patentes comerciales.
Uno de los conectores más usados son los pernos
tipo Nelson (http://www.pernosnelson.com/) que repre-
sentan una adecuada solución estructural y además son
muy convenientes desde el punto de vista constructivo.
Estos pernos se sueldan utilizando una pistola especial
en la que el electrodo es el mismo perno, de modo que
(a) (b)
(c)
15
la colocación de los mismos es muy rápida, Figura 1-
23.
Fig. 1-22. Ejemplos de conectores de corte.
Fig. 1-23. Colocación de pernos soldados sobre el ala
de una viga de acero.
En cada caso, los conectores deben verificarse se-
gún la función estructural que desempeñan. Los deta-
lles sobre el comportamiento estructural y métodos de
cálculo de los conectores de corte no se presentan en
este trabajo y pueden encontrarse en la bibliografía
sobre el tema.
1.5.3 Tipos de miembros compuestos
Los miembros compuestos combinan, en distintas for-
mas, componentes de acero, tales como perfiles lami-
nados, tubos o elementos armados, con hormigón y
armaduras de refuerzo (barras nervuradas de acero
dispuestas longitudinal y trasversalmente). Los princi-
pales tipos de miembros compuestos son:
Miembros compuestos embebidos
Miembros compuestos rellenos
Vigas compuestas con conectores de corte
Losas compuestas
Los miembros embebidos son aquellos en los que
uno o más perfiles de acero se rodean de hormigón
armado, como se indica en la Figura 1-24. El hormi-
gón, además de su función estructural, permite aumen-
tar la resistencia al fuego del miembro compuesto. Este
tipo de miembros se emplea usualmente para colum-
nas, si bien pueden usarse también para vigas y muros.
Fig. 1-24. Ejemplos de miembros compuestos embebi-
dos, (a) sin conectores y (b) con conectore soldados al
perfil.
Los miembros compuestos rellenos están formados
por un elemento tubular de acero que se rellena con
hormigón (ver Figura 1-25). Este tipo de miembros se
emplea usualmente para columnas, con el objeto de
aprovechar el hormigón confinado dentro del tubo, que
aumenta significativamente la resistencia a compresión.
Ello se debe al incremento del área de material resis-
tente y además a que se reduce el efecto de pandeo
local en las paredes del tubo. La resistencia a compre-
sión de los miembros rellenos puede aumentarse aún
más si se disponen en el interior del tubo armaduras de
refuerzo, como se indica en la Figura 1-26. Los miem-
bros compuestos rellenos también pueden usarse para
muros.
Las vigas compuestas con conectores de corte son
miembros que surgen de la combinación de una viga de
acero (usualmente secciones I o Ul) y de una losa de
hormigón. La Figura 1-27 muestra un esquema de una
sección típica, donde se observa que la acción com-
puesta entre la losa y la viga de acero se logra mediante
pernos soldados al ala superior de la viga. Dichos per-
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
16
nos deben resistir los esfuerzos cortantes que resultan
de la acción compuesta entre ambas partes de la sec-
ción. En este ejemplo, se usan pernos soldados como
conectores de corte, si bien puede emplearse cualquiera
de las alternativas indicadas en la sección previa. Este
tipo de vigas compuestas es muy utilizado en edificios
con pórticos de acero para reducir la sección de las
vigas y, por ende, los costos de la construcción.
Fig. 1-25. Secciones típicas de miembros compuestos
rellenos.
Fig. 1-26. Sección de un miembro compuesto relleno
con armadura longitudinal de refuerzo.
Las losas compuestas están formadas por una capa
de hormigón de espesor variable que se dispone por
encima de una chapa plegada de acero, como se indica
en la Figura 1-28. Esta chapa presenta en su superficie
muescas o indentaciones, las cuales sirven como co-
nectores mecánicos para transferir esfuerzos rasantes
entre el hormigón y el acero (la adherencia entre ambos
materiales es prácticamente nula). Es por ello que la
chapa plegada no solo sirve como encofrado para la
colocación del hormigón in situ, sino que provee la
resistencia a tracción en la parte inferior de la losa (es
decir que cumple la función de armadura de refuerzo
inferior). La malla de acero electrosoldada que se ob-
serva en la Figura 1-28 se usa principalmente para el
control de la fisuración del hormigón. Eventualmente
se puede colocar armadura de refuerzo superior para
resistir momentos negativos en el caso de losas conti-
nuas. Este tipo de losa se considera como una losa
armada en una dirección (la dirección paralela al ple-
gado de la chapa colaborante1).
Fig. 1-27. Esquema de una viga compuesta con conec-
tores de corte.
La chapa plegada usualmente se coloca por encima
de una viga de acero y ambos elementos se vinculan
mediante conectores soldados (como se ilustra en la
Figura 1-28). Estos conectores cumplen la función de
mantener en posición a las chapas de acero durante la
colocación y vibrado del hormigón y de vincular la losa
a la estructura principal para asegurar la transferencia
de acciones laterales, como viento y sismo (efecto de
diafragma). Para mayor información sobre este tipo de
losas el lector puede consultar los documentos elabora-
dos por el Steel Deck Institute (http://www.sdi.org/).
Fig. 1-28. Losa compuesta con chapa colaborante de
acero (http://www.alcor.com.ar/)
1 La palabra “colaborante” no está definida en el Dic-
cionario de la Real Academia Española, si bien se
emplea frecuentemente en la bibliografía y en los catá-
logos de los fabricantes. Es por ello que usa en esta
publicación.
17
Las losas compuestas con chapa colaborante, por
sus ventajas estructurales, constructivas y económicas,
son de uso común en muchos países, particularmente
cuando se busca reducir los tiempos de construcción.
Su aplicación resulta especialmente conveniente cuan-
do la losa compuesta se apoya sobre vigas de acero. En
este caso, se puede vincular la losa con la viga para
lograr una viga compuesta con conectores. De esta
forma se logra reducir las dimensiones de la viga, con
la consiguiente ventaja económica. Reglamentariamen-
te te requiere que el espesor de la capa de hormigón por
encima de la chapa de acero sea de 50 mm como mí-
nimo y que la altura nominal del nervio no exceda de
75 mm. La chapa debe vincularse a la viga de acero
mediante conectores, soldaduras de tapón u otro dispo-
sitivo equivalente, los cuales deben ubicarse con una
separación máxima de 460 mm.
La Figura 1-29 representa el esquema estructural de
una losa compuesta con chapa colaborante que apoya
en un entramado de vigas de acero. Es importante ob-
servar que la losa compuesta apoya en las vigas secun-
darias (dispuesta en forma perpendicular a los nervios
de la chapa). Estas vigas usualmente se colocan con
una separación entre 2 y 3 m como máximo, con lo
cual se evita el apuntalamiento durante la colocación
del hormigón fresco.
Fig. 1-29. Losa compuesta con chapa colaborante que
apoya sobre vigas de acero.
En la dirección en que los nervios están dispuestos
perpendicularmente a la viga, ver Corte A-A, Figura 1-
30, el contacto entre la viga y la losa es discontinuo,
debido a la forma del plegado. En este caso el regla-
mento ANSI/AISC 360-10 indica que, a los efectos del
cálculo de la viga compuesta, se debe despreciar el
hormigón ubicado por debajo del borde superior de la
chapa colaborante. En la dirección en que los nervios
están paralelos a la viga, ver Corte B-B, Figura 1-30, se
considera toda la sección de hormigón en el cálculo de
la viga compuesta. En este último caso las chapas cola-
borantes deben disponerse adecuadamente para que el
nervio apoye sobre la viga de acero. Esto se puede
lograr mediante varias alternativas, dos de las cuales se
muestran en la Figura 1-31. En el caso (a) se hace coin-
cidir un nervio de la chapa plegada con la viga, mien-
tras que en el caso (b), las chapas se cortan de modo tal
de formar el nervio sobre la viga. En ambos casos se
disponen los conectores (u otros elementos equivalen-
tes) para asegurar la acción compuesta entre la losa y la
viga.
Fig. 1-30. Secciones de viga compuesta, Corte A-A:
nervios perpendiculares a la viga, y Corte B-B: nervios
paralelos a la viga.
Fig. 1-31. Distorsión del primer piso de una (a) chapa
continua sobre la viga, (b) chapa interrumpida.
Viga secundaria
Losa compuesta
A
B B
A
Vig
a p
rincip
al
Corte A-A
Corte B-B
(a)
(b)
18
El uso de vigas compuestas con pernos de corte es
usual no solo para estructuras de edificios sino también
en puentes. La Figura 1-32 muestra una imagen corres-
pondiente a este último caso.
Fig. 1-32. Imagen de una viga de acero con pernos de
corte para construcción de la viga compuesta de un
puente.
1.5.4 Evaluación de la resistencia de secciones
compuestas
El diseño de secciones compuestas requiere de la con-
sideración del comportamiento conjunto de ambos
materiales, esto es acero y hormigón. Desde el punto de
vista reglamentario esta situación puede resultar en
conflictos, dado que usualmente cada material cuenta
con su propia normativa. Para solucionar este inconve-
niente, el ANSI/AISC 360-10 aplica criterios para
determinar la resistencia seccional de los miembros
compuesto que son compatibles con los del reglamento
ACI 318 Building Code Requirements for Structural
Concrete.
La resistencia nominal de las secciones compuestas,
acorde al reglamento ANSI/AISC 360-10, puede de-
terminarse según dos procedimientos.: el método de las
tensiones plásticas y el método de la compatibilidad de
deformaciones.
El método de las tensiones plásticas asume que los
componentes de acero que integran la sección alcanzan
la resistencia de fluencia Fy, en tracción o compresión
según corresponda, mientras que el hormigón alcanza
la tensión 0.85 f’c (siendo f’c la resistencia especificada
a compresión). En el caso de secciones compuestas
formadas por tubos redondos rellenos de hormigón el
reglamento permite considerar una tensión de 0.95 f’c
debido al aumento de resistencia a compresión por
confinamiento.
El método de la compatibilidad de deformaciones
asume una distribución lineal de deformaciones en la
sección (hipótesis de Bernoulli-Navier), con una de-
formación máxima del hormigón de 0.003. Las leyes
constitutivas de ambos materiales (curvas tensión-
deformación) deben obtenerse de ensayos o de infor-
mación disponible en la literatura técnica. Este método
se usa en el caso de secciones irregulares o cuando el
acero no presenta comportamiento elasto-plástico. Para
mayor información puede consultarse la Guía de diseño
No 6 (Griffis, 1992) y el reglamento ACI 318-11.
Como se mencionó previamente, en el caso de
miembros compuestos rellenos, la resistencia a com-
presión aumenta no solo por el incremento de la sec-
ción resistente sino también porque se modifica el
comportamiento ante pandeo local. La Figura 1-33
muestra las deformadas de pandeo para miembros
compuestos rellenos de sección rectangular y circular.
Se observa en esta figura que la presencia del relleno
de hormigón impide que la sección se deforme hacia
adentro del tubo. Este hecho se representa también en
la Figura 1-34, donde se grafica esquemáticamente la
vista lateral de las deformadas de pandeo local para el
caso de un tubo sin relleno y de un miembro compues-
to relleno de hormigón. De modo que el pandeo local
del tubo relleno se produce con deformadas de pandeo
que requieren mayor energía, y por ende presentan una
mayor carga crítica.
En el caso de vigas compuestas con conectores de
cortes, un aspecto relevante en el cálculo estructural es
el ancho efectivo de la sección de hormigón. Cuando la
sección resiste solicitaciones de flexión, se desarrollan
tensiones axiales que varían según la distancia al eje
neutro. Sin embargo, la losa de hormigón tiene un
ancho real que es muy superior al ancho de la viga de
acero, por lo cual las tensiones reales que se generan en
la losa no son uniformes a lo largo de una fibra cuya
distancia al eje neutro es constante.
Fig. 1-332. Esquemas de la deformación por pandeo
en miembros compuestos rellenos de sección rectangu-
lar y circular.
Posición
original
Tubo
pandeado
19
Fig. 1-34. Vista lateral de la deformada por pandeo
local de (a) tubo sin relleno y (b) miembro compuesto
relleno de hormigón.
Es por ello que se introduce el concepto de ancho
efectivo, el cual puede definirse como el ancho equiva-
lente de la losa de hormigón, suponiendo una distribu-
ción uniforme de tensiones, que produce la misma
respuesta que la sección real con tensiones no unifor-
mes. La reglamentación ANSI/AISC 360-10 indica que
el ancho efectivo es la suma delos anchos efectivos a
cada lado del eje de la viga, cada uno de los cuales no
debe exceder los siguientes valores:
1/8 de la luz de la viga, medida desde los centros de
los apoyos,
½ de la distancia al eje de la viga adyacente, o
la distancia al borde de la losa.
Durante el proceso constructivo de los miembros
compuesto, es usual que las vigas y columnas de acero
resistan distinto tipos de acciones hasta tanto se com-
plete la estructura y los miembros compuestos desarro-
llen su capacidad resistente. En estos casos, es impor-
tante considerar los efectos de las cargas actuantes en
la estructura de acero durante la fase de construcción
sin incluir la acción compuesta (dado que el hormigón
aún no ha endurecido).
En esta sección se han presentado algunos aspectos
básicos del diseño de estructuras con miembros de
sección compuesta. El estudio en profundidad del tema
escapa a los alcance de este texto, razón por la cual se
recomienda al lector interesado consultar la bibliografía
indicada en la Sección 1.1.
(a) Tubo sin
relleno
(b) Tubo con
relleno
20
Capítulo 2
Aspectos generales del diseño sismorresistente
2.1 EL SISMO COMO ACCIÓN DE DISEÑO
Los sismos son eventos con baja probabilidad de ocu-
rrencia y sus consecuencias pueden ser tremendas en
términos de destrucción y del sufrimiento que provo-
can. Por estas razones el diseño de estructuras sismo-
rresistentes presenta particularidades que lo distinguen
del diseño para otro tipo de acciones como cargas gra-
vitatorias o viento.
El fenómeno sísmico es un problema netamente di-
námico, si bien los primeros métodos para su conside-
ración se basaron en conceptos estáticos. Es así que
surgió el método de las fuerzas estáticas equivalentes,
que aún hoy se aplica para estructuras relativamente
simples (la mayoría de los códigos permiten su aplica-
ción para construcciones de baja y mediana altura y de
configuración aproximadamente regular). En este mé-
todo, el efecto vibratorio del sismo se reemplaza por
fuerzas laterales que, en general, siguen una distribu-
ción creciente con la altura. El corte basal sísmico se
determina a partir de un coeficiente sísmico (igual a la
aceleración horizontal dividida la aceleración de la
gravedad, g) multiplicado por el peso total de la cons-
trucción, incluyendo las sobrecargas de uso. El desarro-
llo y la difusión de las computadoras personales y de
los programas de análisis estructural han permitido una
generalizada aplicación de métodos dinámicos para
considerar la acción sísmica. En estos métodos, y de-
pendiendo del tipo de análisis a realizar, el sismo se
cuantifica a través de un espectro de aceleraciones o
mediante una serie de registros de aceleración (acele-
rogramas). Estos últimos representan la variación de la
aceleración del terreno en función del tiempo. Los
registros de aceleración se obtienen de mediciones de
sismos reales2 o bien se generan artificialmente me-
diante programas computacionales para cumplir ciertos
requisitos.
Cualquiera sea el método aplicado, se consideran en
general cuatro aspectos fundamentales para cuantificar
la acción sísmica, a saber: (i) sismicidad propia del
lugar, (ii) características del suelo de fundación, (iii)
destino o importancia de la construcción y (iv) caracte-
rísticas principales de la respuesta estructural, vincula-
das principalmente a su ductilidad y sobrerresistencia.
2 El primer registro de aceleración de un sismo se obtu-
vo en 1933 en Long Beach, California, y en la actuali-
dad se dispone de bases de datos con numerosos regis-
tros, los cuales pueden descargarse, por ejemplo, de:
http://db.cosmos-eq.org/scripts/earthquakes.plx, o
http://peer.berkeley.edu/smcat
Los dos primeros aspectos se definen a través de un
espectro de diseño, normalmente en términos de acele-
raciones horizontales. La importancia de la construc-
ción se cuantifica a través de un factor que mayora la
demanda sísmica para obras de infraestructura pública,
edificios con alta ocupación, etc. El comportamiento
estructural se representa mediante un factor de modifi-
cación de respuesta, R, el cual se ha calibrado a partir
de resultados experimentales y analíticos obtenidos
para distintos tipos de estructuras; sus implicancias en
el diseño se indican posteriormente en este capítulo.
Es importante mencionar que usualmente la acción
sísmica de diseño se define a partir de aceleraciones (o
del coeficiente sísmico para el método estático), razón
por la cual los métodos que utilizan este criterio se
denominan “métodos de diseño basados en fuerza”.
Este es un criterio tradicional que se utiliza desde los
comienzos de la ingeniería sísmica. Sin embargo, en
las últimas décadas, investigadores y diseñadores de
distintos países han comenzado a desarrollar una nueva
definición de la acción sísmica, considerando los des-
plazamientos laterales como variable principal de dise-
ño (Priestley et al, 2007). Es así que han surgido distin-
tos “métodos de diseño basado en desplazamiento”, los
cuales han madurado en su formulación e implementa-
ción, de modo que es muy factible que en un futuro
cercano se incorporen paulatinamente a los códigos de
diseño.
El concepto de espectro es de gran importancia para
definir y cuantificar la acción sísmica; es por ello que
se presentan a continuación aspectos básicos sobre los
espectros de respuesta y de diseño.
2.1.1 Espectros de respuesta
Se han definido diversos parámetros e indicadores para
cuantificar los terremotos y sus efectos. Desde el punto
de vista estructural, la aceleración es uno de los pará-
metros más importante para el diseño sismorresistente,
más precisamente a través de los espectros de acelera-
ción (ver Figura 2-1). A través de ellos, se define la
amenaza sísmica de una zona o región a los efectos del
diseño sismorresistente. En forma general, puede defi-
nirse espectro como un gráfico de la respuesta máxima
(expresada en términos de desplazamiento, velocidad,
aceleración, o cualquier otro parámetro de interés) que
produce una acción dinámica determinada en una es-
tructura u oscilador de un grado de libertad. En estos
gráficos, se representa en abscisas el periodo propio de
la estructura (o la frecuencia) y en ordenadas la res-
puesta máxima calculada para distintos factores de
21
amortiguamiento ξ.
El espectro de respuesta elástica representa el má-
ximo de un parámetro de respuesta (aceleración, des-
plazamiento, etc) para osciladores simples de un grado
de libertad con un periodo de vibración T y un amorti-
guamiento relativo ξ para un terremoto dado. En la
Figura 2-1 se presenta el gráfico correspondiente a un
espectro de aceleración.
El concepto de los espectros comenzó a gestarse
gracias a una idea Kyoji Suyehiro, Director del Institu-
to de Investigaciones de la Universidad de Tokyo,
quien en 1920 ideó un instrumento de medición forma-
do por 6 péndulos con diferentes periodos de vibración,
con el objeto de registrar la respuesta de los mismos
ante la ocurrencia de un terremoto. Unos años después,
Hugo Benioff publicó un artículo en el que proponía un
instrumento similar al de Suyehiro, destinado a medir
el desplazamiento registrado por diferentes péndulos,
con los cuales se podía determinar el valor máximo de
respuesta y construir una curva (espectro de desplaza-
miento elástico) cuya área sería un parámetro indicador
de la destructividad del terremoto. Maurice Biot, en el
Instituto Tecnológico de California, fue quien propuso
formalmente la idea de espectros de respuesta elástica;
luego Housner, Newmark y muchos otros investigado-
res desarrollaron e implementaron este concepto en
criterios de aplicación práctica.
Fig. 2-1. Espectro elástico de respuesta, en términos de
aceleración, correspondiente al terremoto de Turquía,
17/8/1999, registro YPT.
2.1.2 Espectros de diseño
Debido a que los espectros de respuesta representan el
efecto de un solo registro de aceleración, no pueden
usarse para el diseño. Por esta razón, los reglamentos
sismorresistentes utilizan espectros de diseño. Éstos
presentan dos características principales: (i) consideran
la peligrosidad sísmica de una zona o región y (ii) son
curvas suavizadas, es decir, no presentan las variacio-
nes bruscas propias de los espectros de respuesta.
La obtención de las respuestas espectrales, como
parte del análisis de amenaza sísmica, puede realizarse
mediante procedimientos probabilísticos o determinís-
ticos, según lo que resulte más conveniente en cada
caso (Maguire, 2004; Reiter, 1990).
Desde hace más de una década, se ha desarrollado
en Estados Unidos un procedimiento que permite defi-
nir los espectros de diseño a partir de lo que se deno-
mina terremoto máximo considerado (MEC, maximum
considered earthquake). Éste no debe interpretarse
como el máximo terremoto que puede ocurrir en una
región, sino como el máximo nivel de sacudimiento
que se considera razonable para el diseño de estructuras
(Leyendecker et al., 2000). Se describe a continuación,
en términos generales, el criterio que adoptan las espe-
cificaciones ASCE/SEI 7-10, Minimum Design Loads
for Buildings and Other Structures (ASCE, 2010) para
definir el espectro de diseño. Este reglamento considera
para casos usuales un sismo definido como terremoto
máximo considerado con probabilidad de colapso uni-
forme, MCER (risk-targered máximum considered
earrhquake). Este concepto fue introducido en la edi-
ción del año 2010 de mencionado reglamento para
considerar que la probabilidad de colapso estructural
presenta incertidumbres. Anteriormente, los valores de
movimiento de suelo (ground motion values) se defi-
nían bajo la condición de “amenaza uniforme” (uni-
form hazard), sin considerar las incertidumbres en la
capacidad estructural. Es por ello que en la edición
2010 se modificaron los parámetros de movimiento de
suelo de manera que la probabilidad de colapso espera-
da asociada a los espectros resultantes sea uniforme
(para mayor información sobre este tema consultar
Luco et al., 2007).
El terremoto MCER se determina asumiendo una
probabilidad de excedencia del 2% en 50 años (equiva-
lente a un periodo de retorno3 de 2475 años) y se carac-
teriza mediante tres parámetros principales:
La aceleración espectral para periodos cortos
(T=0.2s), SS.
La aceleración espectral para un periodo T=1.0s, S1.
El periodo de transición para periodos largos, TL
(ver Figura 2-2).
Estos parámetros se obtienen de mapas disponibles
para todo el país, y corresponden a un sitio clase B.
Actualmente, se puede acceder a los valores de los
parámetros SS y S1 para calcular el espectro compatible
con ASCE/SEI 7-10 en forma electrónica a través del
sitio web el United States Geological Survey´s,
http://earthquake.usgs.gov/hazards/designmaps/, no
solo para Estados Unidos sino también a nivel mundial
3 El periodo de retorno TR (o intervalo de recurren-
cia) se define como la inversa de la probabilidad de
excedencia anual, pa, de modo que TR=1/pa. Es usual,
sin embargo, indicar la probabilidad de excedencia, pt,
durante un cierto periodo de tiempo t (por ejemplo: 50
años). En este caso, puede demostrarse que TR = -t /
ln(1- pt), (Reiter, 1990).
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 1 2 3 4 5
Periodo, T (s)
Acele
racio
n (
g) x = 2.5%
5%
7.5%
22
(mediante Worldwide Seismic Design Maps Applica-
tion). La clasificación del sitio se realiza a partir de las
propiedades del suelo (velocidad promedio de las on-
das de corte, resistencia promedio a la penetración o
resistencia a corte no drenada promedio) y para ello se
consideran seis categorías, de la A a la F.
El espectro de diseño se determina considerando
una reducción de las aceleraciones espectrales de refe-
rencia para el terremoto máximo considerado, MCER,
de modo que:
SDS = 2/3 Fa SS
SD1 = 2/3 Fv S1 (2-1)
donde el factor 2/3 representa un “margen sísmico”
para transformar el espectro MCE, que corresponde a
un nivel de colapso, en otro a nivel de diseño. Como
consecuencias de dividir por 2/3, se obtiene un margen
uniforme contra el colapso, pero no una probabilidad
de ocurrencia uniforme de los espectros obtenidos para
distintos sitios (Leyendecker et al., 2000). Luco et al.
(2007) explican que el factor 2/3 representa un modifi-
cación en el objetivo de desempeño considerado por el
reglamento que cambió del nivel de “seguridad de
vida” (life safety) a “prevención del colapso” (collapse
prevention)
Las modificaciones indicadas de los parámetros de
referencia SS y S1 se representan esquemáticamente en
la Figura 2-2 mediante flechas. Debe notarse, sin em-
bargo, que en ciertos casos los parámetros de diseño
pueden ser mayores que los del espectro MCE cuando
los factores de sitio Fa o Fv son mayores de 1.5 (lo cual
puede ocurrir en suelos blandos).
Fig. 2-2. Espectro de diseño considerado por las espe-
cificaciones ASCE/SEI 7-10.
Para sitios cuya clase difiere de la B es necesario
modificar la respuesta espectral, de modo de considerar
el efecto del suelo, que afecta tanto los valores de ace-
leración como la forma del espectro. Esta modificación
se logra mediante dos coeficientes de sitio, Fa y Fv, que
multiplican a las aceleraciones espectrales SS y S1. Los
coeficientes Fa y Fv se encuentran tabulados y sus valo-
res dependen de la clase de sitio y de los niveles de
aceleración SS y S1.
Finalmente, para obtener el espectro completo, que
consta de cuatro ramas (ver Figura 2-2) se determinan
los periodos de transición TO y TS mediante las siguien-
tes expresiones:
TO = 0.2 SD1 / SDS
TS = SD1 / SDS (2-2)
En la Figura 2-3 se presenta, a modo de ejemplo,
dos típicos espectros de aceleración para diseño corres-
pondientes a sitios clase B y E. Además se incluyen en
esa figura (en línea de trazo) los espectros de despla-
zamientos deducidos a partir de los de aceleración4.
Es muy importante aclarar que las aceleraciones es-
pecificadas mediante los espectros de diseño de los
códigos para cuantificar la acción sísmica no represen-
tan necesariamente los máximos que podrían ocurrir en
esa zona o región. Más bien representan un nivel de
movimiento sísmico que se considera aceptable a los
efectos del diseño (AISC, 2006). La aplicación de las
especificaciones reglamentarias (por ejemplo AN-
SI/AISC 341-10 y 360-10) asegura que la estructura
presenta una adecuada ductilidad para evitar el colapso
ante la ocurrencia de un sismo severo.
Fig. 2-3. Ejemplos de espectros de aceleración para
diseño según ASCE/SEI 7-10 y los espectros de despla-
zamiento calculados a partir de los primeros.
2.1.3 Acción vertical del sismo
Los espectros descriptos previamente se utilizan para
definir la acción sísmica horizontal. Los reglamentos
de diseño, normalmente, incluyen también requeri-
mientos para considerar el efecto de la acción sísmica
vertical. Esta consideración se debe a que el movimien-
to del suelo, resultante de la propagación de las ondas
4 Recordar que los valores de desplazamiento espectral,
SD, pueden derivarse de la aceleración espectral (estric-
tamente es la seudo-aceleración), SA, mediante la rela-
ción: A2
2
D S 4π
TS .
Periodo, T
Ac
ele
rac
ión
es
pe
ctr
al
0.4SDS
SDS
SS
S1
SD1
TO 0.2s TS 1.0s TL
2/3 Fa
2/3 Fv
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
0 1 2 3 4 5
Periodo, T (s)
Acele
ració
n e
sp
ectr
al (g
)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Desp
lazam
ien
to e
sp
ectr
al (m
)
Sitio B
Sitio E
SA=SD1/T
SA=SD1TL/T2
SA=SDS1 (0.4+0.6 T/To)
23
sísmicas, presenta también una componente en la di-
rección vertical. En el caso de las normas ASCE/SEI
7-10 (ASCE, 2010) se considera una aceleración espec-
tral constante (que no es función del periodo) igual a
0.2 SDS. La aceleración así definida se considera que
actúa sobre la masa vinculada a las cargas permanen-
tes, de modo que se tiene un efecto vertical igual a ±0.2
SDS D (donde D representa la carga permanente o muer-
ta).
El efecto de la acción vertical del sismo debe con-
siderarse como parte de la acción sísmica total E cuan-
do se plantean las combinaciones de carga requeridas
por el reglamento. En algunos casos especiales se per-
mite omitir la consideración de la acción vertical del
sismo, por ejemplo cuando SDS ≤ 0.125 o cuando se
determina la demanda en fundaciones.
2.2 DISEÑO POR CAPACIDAD
El método de diseño por capacidad se desarrolló origi-
nalmente en Nueva Zelanda para estructuras de hormi-
gón armado. En la actualidad, es aceptado internacio-
nalmente y sus principios se aplican también al diseño
de estructuras de acero.
El diseño por capacidad se basa en la formulación
de una jerarquía en la resistencia de los componentes
que componen el sistema estructural para permitir la
formación de un mecanismo de deformación plástica (o
mecanismo de colapso); se evita así la ocurrencia de
fallas frágiles. Para ello, se seleccionan ciertos compo-
nentes o zonas de la estructura sismorresistente, los
cuales son diseñados y detallados para disipar energía
en forma dúctil y estable. En estas zonas críticas, de-
nominadas comúnmente “rótulas plásticas”, el sismo
induce deformaciones plásticas por flexión y se evitan
otros mecanismos de falla mediante un incremento de
la resistencia asignada (por ejemplo fallas de corte en
los miembros de hormigón armado o problemas de
pandeo local en secciones de acero). Todos los demás
componentes se protegen de la posibilidad de falla
asignando una resistencia mayor que la correspondien-
te al desarrollo de la máxima resistencia esperada en
las potenciales regiones de plastificación (Paulay y
Priestley, 1992).
En el caso de pórticos, la rótula plástica se asocia a
una zona de disipación de energía por flexión, pero el
concepto puede ampliarse a otras estructuras con zonas
donde se produce fluencia por corte, tracción, tracción-
compresión, o incluso a dispositivos especialmente
diseñados como disipadores de energía. De esta forma,
el diseño por capacidad permite contrarrestar las incer-
tidumbres existentes para definir la demanda sísmica y
asegura que la estructura responda en forma estable y
con adecuada capacidad de disipación de energía.
Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 incorpo-
ran los conceptos del diseño por capacidad para la
verificación de ciertos componentes, por ejemplo co-
lumnas, considerando las solicitaciones inducidas
cuando se desarrolla el mecanismo de deformación
plástica. En otras palabras, esos componentes no se
diseñan para resistir las solicitaciones inducidas por la
acción sísmica de diseño sino las correspondientes al
nivel de resistencia última de la estructura. Para ello se
define un factor de sobrerresistencia del sistema estruc-
tural, Ωo. Este aspecto se explica con más detalle en
secciones subsiguientes de este capítulo.
2.3 FILOSOFÍA DEL DISEÑO SISMORRESIS-
TENTE
2.3.1 Criterio general
Los códigos de diseño estructural usualmente indican
el nivel general de protección que debe esperarse de
ellos. Para las estructuras sismorresistentes la mayoría
de los códigos establece requerimientos mínimos para
asegurar la protección de la vida humana (esto es, evi-
tar el colapso parcial o total) pero sin controlar el daño
que puede resultar de la acción sísmica.
Las estructuras sismorresistentes, salvo casos espe-
ciales, se diseñan para responder en rango inelástico, de
modo de desarrollar ductilidad y disipar energía duran-
te la ocurrencia de un terremoto severo. Es por ello que
las fuerzas o aceleraciones obtenidas a partir del espec-
tro de diseño (espectro elástico) son reducidas median-
te un factor de modificación de respuesta, R (cuya
evaluación se discute en detalle en la sección siguien-
te). De esta forma el espectro de diseño elástico se
transforma, a través del factor R, en un espectro de
diseño inelástico.
El ingeniero estructural debe comprender adecua-
damente el criterio de diseño sismorresistente a los
efectos de aplicar correctamente las especificaciones
reglamentarias. Este criterio difiere significativamente
del aplicado para otros estados de carga, por ejemplo,
para acciones laterales por viento, donde la estructura
se diseña con el objetivo de permanecer esencialmente
en rango elástico. La razón principal de esta diferencia
es de orden económico, a los efectos de que los costos
de construcción sean aceptables.
Es importante resaltar que la disipación de energía
y el comportamiento dúctil de la estructura bajo la
acción sísmica solo puede lograrse si los miembros que
componen la misma son adecuadamente detallados
(para evitar fallas de tipo frágil). Además, el desarrollo
de la ductilidad implica la ocurrencia de daño estructu-
ral, el cual resulta de la fluencia del acero y eventual-
mente de problemas de inestabilidad como el pandeo
local. El daño que produce el terremoto tiene un costo
de reparación, pudiendo ser significativo según el tipo
y la cantidad de componentes afectados, las técnicas de
reparación requeridas, etc.
2.3.2 Factor de modificación de respuesta R
El concepto del factor de modificación de respuesta se
introdujo en la década de 1960, fundamentalmente a
24
través de las investigaciones realizadas por Veletsos y
Newmark (1960) y Veletsos et al (1965). A partir de
los resultados obtenidos del análisis dinámico de es-
tructuras simples con comportamiento elasto-plástico,
se propuso que el espectro inelástico (para diseño)
podía obtenerse con cierta aproximación a partir de un
espectro elástico. De esta forma se podía reducir la
demanda sísmica de diseño (determinada a partir de un
espectro elástico) para considerar la capacidad de disi-
pación de energía de la estructura por comportamiento
no lineal. Para ello se aplicó, como variable principal,
el concepto de ductilidad de desplazamiento, ,
definida como la relación entre el desplazamiento
máximo y el desplazamiento de fluencia, y se aplicaron
consideraciones simplificadas deducidas de la
observación de los resultados obtenidos del análisis
dinámico.
En primer lugar se observó que en el rango de pe-
riodos largos, el desplazamiento máximo en rango no
lineal es similar al desplazamiento máximo del sistema
elástico (ver Figura 2-4), situación que se puede expre-
sar como “criterio de igual desplazamiento” (algunos
autores utilizan el término “principio” en lugar de crite-
rio o regla, lo cual sería incorrecto dado que es obser-
vación deducida a partir valores promedios obtenidos
de resultados de análisis dinámicos). A partir de esta
observación se deduce que el factor de reducción es
igual a la ductilidad del sistema, R = Ve / Vy = µ (donde
Ve es la fuerza sísmica en el sistema elástico, Vy la
fuerza de fluencia en la estructura no lineal y µ = dm/dy
es la ductilidad definida como la relación entre el des-
plazamiento máximo y el desplazamiento de fluencia).
Fig. 2-4. Regla o concepto de igual desplazamiento
entre un sistema elástico y otro elasto-plástico.
Para el caso de estructuras con periodo de vibra-
ción bajos se concluyó que, aproximadamente, la ener-
gía en ambos sistemas era equivalente, como se ilustra
esquemáticamente en la Figura 2-5, lo cual puede ex-
presarse como “critierio o regla de igual energía” . A
partir de igualar el área bajo la curva de comportamien-
to elástico y elasto-plástico se puede deducir que
12μR .
Finalmente, para el caso de periodos intermedios se
observó un comportamiento más complejo y se propu-
sieron algunos procedimientos simplificados para la
consideración de este caso. Sin embargo, las reglas de
igual desplazamiento e igual energía representaron
criterios importantes que han influenciado significati-
vamente el diseño sismorresistente. A partir de las
investigaciones de Veletsos, Newmark y sus colabora-
dores, muchos otros investigadores profundizaron los
estudios sobre el factor de respuesta R. Los estudios
realizados permitieron identificar distintas variables
que intervienen y deducir ecuaciones y valores del
factor R más precisos, Miranda y Bertero (1994) y
Vielma et al. (2006).
Fig. 2-5. Regla o concepto de igual energía entre un
sistema elástico y otro elasto-plástico.
En la actualidad el reglamento ASCE/SEI 7-10, al
igual que los reglamentos de varios países de Latinoa-
mérica, especifican un criterio para evaluar el factor R
que considera no solo el efecto de la ductilidad, sino
también la sobrerresistencia del sistema. De modo que:
R = Rµ Ωo (2-3)
Para explicar los conceptos involucrados en la
Ecuación 2-3 resulta útil analizar la respuesta estructu-
ral mediante un diagrama corte basal- desplazamiento
lateral, como se muestra en la Figura 2-6. El nivel de
fuerza definido por el espectro de diseño se representa
mediante el corte basal elástico, Ve, mientras que el
nivel de diseño se indica mediante el corte basal VD.
Este nivel representa el inicio de la fluencia, cuando la
estructura abandona el comportamiento lineal y elásti-
co. El factor R reduce las fuerzas a un nivel correspon-
diente al estado límite último o de resistencia, no a un
nivel de servicio.
A medida que los desplazamientos aumentan, la
respuesta es no lineal y la estructura es capaz de de-
sarrollar una resistencia mayor que VD. La respuesta
real de la estructura puede aproximarse mediante una
respuesta bilineal equivalente, a los efectos de definir
el nivel de fluencia (con corte basal VY).
El factor de sobrerresistencia Ωo tiene en cuenta la
R=
Ve
Vy
dy de = dm
12μR
Ve
Vy
dy
dm
de
25
reserva de resistencia entre los niveles VY y VD, la cual
surge de la redundancia estructural, de la sobrerresis-
tencia de los materiales, del sobredimensionamiento de
los miembros, de combinaciones de cargas distintas al
sismo, de límites de distorsión de piso, del efecto del
factor de resistencia, etc. En los comentarios de la
recomendación FEMA 450, NEHRP Recommended
Provisions for Seismic Regulations For New Buildings
and Other Structures (FEMA, 2003) se presenta una
detallada descripción conceptual del factor Ωo y se
analiza el mismo considerando que su valor está de-
terminado por tres factores Ωo = ΩD ΩM ΩS. Estos tres
factores representan la sobrerresistencia de diseño, la
debida al material y la del sistema, respectivamente.
Fig. 2-6. Respuesta global del sistema, con indicación
de los factores R, Ωo y Cd.
El factor de reducción Rµ considera la ductilidad
del sistema (definida como µ = δS / δY) que proporcio-
nan los componentes con capacidad para disipar ener-
gía. El factor Rµ cuantifica la diferencia entre el nivel
de respuesta elástica, Ve, y la resistencia Vy de la es-
tructura.
El uso del factor de modificación de respuesta sim-
plifica el proceso de diseño, porque el ingeniero estruc-
tural sólo debe realizar un análisis elástico, aun cuando
la estructura se deforme en rango no lineal. Sin embar-
go, es importante resaltar que el análisis elástico no
permite evaluar adecuadamente los desplazamientos
laterales, dado que los obtenidos por ese procedimiento
(δe) son menores que los desplazamientos que se pro-
ducirán en rango inelástico. Esta es la razón por la cual
se considera un factor de amplificación de desplaza-
mientos, Cd, para estimar los desplazamientos de dise-
ño δS, como se indica esquemáticamente en la Figura
2-6.
Puede concluirse que las acciones se definen a par-
tir de un espectro de diseño considerando el compor-
tamiento lineal y elástico del sistema (ver Figura 2-6,
punto A), que se reduce luego mediante el factor R,
bajo la hipótesis de que la estructura dispone de ade-
cuada capacidad de disipar energía y sobrerresistencia.
Con la acción sísmica así definida se realiza el análisis
estructural con métodos estáticos o dinámicos, para
determinar solicitaciones de diseño y desplazamientos
(punto B). Los desplazamientos de diseño se obtienen
mediante la amplificación de los resultados del análisis
elástico (punto C).
El factor de sobrerresistencia se utiliza luego en el
diseño de ciertos componentes de estructuras dúctiles,
por ejemplo columnas, con el objeto de aplicar concep-
tos del diseño por capacidad. Es decir, que esos com-
ponentes estructurales no se diseñan para resistir las
solicitaciones correspondientes a la acción sísmica VD
sino para resistir las solicitaciones que se inducen
cuando la estructura desarrolla su resistencia real (Ωo
VD).
Los valores del factor de modificación de respuesta
R, del factor de sobrerresistencia Ωo y del factor de
amplificación de desplazamientos Cd, se encuentran
tabulados en los respectivos códigos en función del
tipo y material de la estructura. La evaluación de di-
chos factores, particularmente de R, se ha desarrollado
a lo largo de varias décadas, de modo que en la actuali-
dad se dispone de información confiable para los dis-
tintos tipos estructurales. La Tabla 2-1 presenta los
valores correspondientes a estos factores para distintos
tipos de estructuras metálicas, de acuerdo con las espe-
cificaciones ASCE/SEI 7-10, mientras que la Tabla 2-2
presenta los mismos factores pero para el caso de es-
tructuras compuestas de acero y hormigón armado.
Del análisis de las Tablas 2-1 y 2-2 se observa que
un mismo tipo estructural puede diseñarse con distintos
valores de R, a criterio del ingeniero estructural, según
sea la categoría que se adopte. Por ejemplo, para los
pórticos no arriostrados especiales se adopta R=8 y
para los ordinarios R=3.5, lo cual implica que el corte
basal de diseño, VD, será significativamente mayor en
este último caso. Sin embargo, los pórticos ordinarios
se verifican con criterios menos estrictos y los detalles
constructivos y las conexiones son más simples y eco-
nómicas. También se deduce de dicha tabla que la
reducción por ductilidad (Rµ = R / Ωo, según Ecuación
2-3) adopta usualmente valores comprendidos entre 4 y
3 para las estructuras con mayor capacidad de disipar
energía, y varía entre 1.5 y 2 para las estructuras menos
dúctiles. Para el caso extremo de estructuras sin deta-
lles sismorresistentes (última fila de la Tabla 2-1), el
factor de reducción por ductilidad es Rµ = 1.
2.4 DESPLAZAMIENTOS LATERALES Y DIS-
TORSIÓN DE PISO
El desplazamiento lateral que experimentan las estruc-
turas por acciones como viento o sismo es una variable
de importancia en el diseño, debido a su vinculación
con tres aspectos: (i) la estabilidad estructural y el
daño, (ii) el control de daño en elementos no estructu-
rales, y (iii) el confort de los usuarios de la construc-
Desplazamiento
Co
rte
b
as
al
Respuesta elástica
VD
VY
Ve
dYde dS
Rm
R
WO
Respuesta real
Respuesta bilineal
equivalente
Corte basal de
diseñoCd
A
B C
26
ción. En el caso de la acción sísmica, el tercer aspecto
no es significativo dado que el objetivo primario del
diseño es evitar la pérdida de vidas humanas.
Como se indicó previamente, los desplazamientos
calculados a partir del análisis elástico no representan
adecuadamente el nivel al cual debe plantearse la veri-
ficación (punto B en Figura 2-6). Los desplazamientos
laterales en estructuras sometidas a la acción sísmica de
diseño son mayores por el desarrollo de la ductilidad.
Es por ello que los códigos utilizan un factor de mayo-
ración para obtener los valores de los desplazamientos
de diseño.
Tabla 2-1. Valores de los factores R, Ωo y Cd para
estructuras de acero según ASCE/SEI 7-10.
Sistema sismorresistente R Ωo Cd
Pórticos no arriostrados especiales
8 3 5.5
Pórticos no arriostrados espe-ciales con vigas reticuladas
7 3 5.5
Pórticos no arriostrados intermedios
4.5 3 4
Pórticos no arriostrados ordinarios
3.5 3 3
Pórticos arriostrados excéntri-camente
8 2 4
Pórticos especiales arriostrados concéntricamente
6 2 5
Pórticos ordinarios arriostrados concéntricamente
3.25 2 3.25
Pórticos con riostras de pandeo restringido
8 2.5 5
Muros especiales con placas de acero
7 2 6
Columnas en voladizo especia-les
2.5 1.25 2.5
Columnas en voladizo ordina-rias
1.25 1.25 1.25
Sistemas estructurales de acero no detallados específicamente como sismorresistentes, exclu-yendo las columnas en voladizo
3 3 3
Sistemas duales con pórticos no arriostrados especiales capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza sísmica de diseño.
Pórticos arriostrados excéntri-camente
8 2.5 4
Pórticos especiales arriostrados concéntricamente
7 2.5 5.5
Pórticos con riostras de pandeo restringido
8 2.5 5
Muros especiales con placas de 8 2.5 6.5
Sistemas duales con pórticos no arriostrados intermedios capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza sísmica de diseño
Pórticos especiales arriostrados concéntricamente
6 2.5 5
Durante mucho tiempo, se utilizó el mismo factor R
tanto para reducir las fuerzas elásticas como para am-
plificar los desplazamientos, fundamentando el criterio
en el “criterio de igual desplazamiento” previamente
explicado. En la actualidad, algunos códigos conside-
ran factores diferentes para calcular los desplazamien-
tos inelásticos, como en el caso de las reglamentacio-
nes norteamericanas que utilizan para ese fin el factor
Cd, de modo que el desplazamiento de diseño se deter-
mina como:
I
Cd dd (2-4)
donde I es factor de importancia, cuyo valor se encuen-
tra tabulado (para el reglamento ASCE/SEI 7/10 varía
entre 1.0 y 1.5).
Tabla 2-2. Valores de los factores R, Ωo y Cd para
estructuras compuestas o mixtas de acero y hormigón
según ASCE/SEI 7-10.
Sistema sismorresistente R Ωo Cd
Pórticos compuestos de acero y hormigón armado no arriostra-dos especiales
8 3 5.5
Pórticos compuestos de acero y hormigón armado no arriostra-dos intermedios
5 3 4.5
Pórticos compuestos de acero y hormigón armado no arriostra-dos ordinarios
3 3 2.5
Pórticos compuestos no arrios-trados de acero y hormigón armado parcialmente restringi-dos
6 3 5.5
Pórticos compuestos de acero y hormigón armado arriostrados excéntricamente
8 2.5 4
Pórticos compuestos especiales de acero y hormigón armado arriostrados concéntricamente
5 2 4.5
Pórticos compuestos ordinarios de acero y hormigón armado arriostrados concéntricamente
3 2 3
Muros compuestos especiales de acero y hormigón armado
6 2.5 5
Muros compuestos ordinarios de acero y hormigón armado
5 2.5 4.5
Muros compuestos de acero y hormigón armado con placas
6.5 2.5 5.5
Sistemas duales con pórticos no arriostrados especiales capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza sísmica de diseño.
Pórticos compuestos de acero y hormigón arriostrados excéntri-camente
8 2.5 4
Pórticos compuestos especiales arriostrados concéntricamente
6 2.5 5
Muros compuestos especiales de acero y hormigón armado
7 2.5 6
Muros compuestos ordinarios de acero y hormigón armado
6 2.5 5
Muros compuestos de acero y hormigón armado con placas
7.5 2.5 6
Sistemas duales con pórticos no arriostrados especiales capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza sísmica de diseño.
Pórticos compuestos especiales de acero y hormigón armado arriostrados concéntricamente
5.5 2.5 4.5
Pórticos compuestos ordinarios de acero y hormigón armado arriostrados concéntricamente
3.5 2.5 3
Muros compuestos ordinarios de acero y hormigón armado
5 3 4.5
En los procedimientos de diseño basados en fuerza,
el control de desplazamientos se plantea como una
verificación adicional, que en el caso de estructuras
flexibles, como los pórticos no arriostrados, puede
resultar en una modificación del diseño. Como paráme-
27
tro de control usualmente se considera el desplaza-
miento relativo de piso, Δ, definido como la diferencia
entre los desplazamientos horizontales últimos corres-
pondientes al nivel superior e inferior del piso, o bien
la distorsión horizontal de piso, θi, definida por (ver
Figura 2-7):
h h i
1
i
iii
i
dd (2-5)
A nivel global, también se puede definir la distor-
sión de piso total como la relación entre el desplaza-
miento total y la altura del edificio:
h T
TT
d (2-6)
Los valores límites para los casos más usuales va-
rían entre 0.01 y 0.02 dependiendo del tipo de estructu-
ra, la categoría de ocupación, etc.
Fig. 2-7. Deflexión lateral de la estructura y definición
de la distorsión de piso.
2.5 ESTADOS DE CARGA Y ANÁLISIS
2.5.1 Factor de redundancia
La redundancia estructural es un concepto importante
en el diseño sismorresistente (inicialmente fue introdu-
cido por el Código UBC en 1997, Bertero y Bertero,
1999) y distintos reglamentos consideran explícita o
implícitamente su influencia. Tradicionalmente se
define la redundancia como el número de ecuaciones
que se requiere para la solución de un problema estruc-
tural, en adición a las ecuaciones de equilibrio. Esta
definición se basa en aspectos vinculados al análisis,
pero resulta inadecuada desde el punto de vista del
diseño sismorresistente. Es por ello que la redundancia
se relaciona con la configuración estructural de la cons-
trucción y con la posibilidad de falla de sus componen-
tes. Un sistema estructural compuesto por muchos
componentes diseñados para resistir la acción sísmica y
en los cuales las fuerzas laterales se distribuyen entre
gran parte de esos componentes, presenta una probabi-
lidad de falla menor que un sistema con pocos compo-
nentes.
Bertero y Bertero (1999) indicaron que los efectos
benéficos más importantes de la redundancia son la
distribución de la disipación de energía en la estructura,
evitando la concentración de daño y la reducción de la
demanda de desplazamientos y ductilidad como conse-
cuencia de efectos torsionales en rango elástico. Es por
ello que las normas norteamericanas consideran un
factor de redundancia, ρ, cuyo objeto es el de aumentar
la acción sísmica de diseño en el caso de sistemas me-
nos redundantes. Se consideran dos casos, con valores
de 1.0 y 1.3. En forma general, el valor más elevado
corresponde a estructuras donde la remoción de una
riostra o de una viga resulta en una reducción del 33%
o más de la resistencia lateral del piso. Este factor se
aplica al estado de carga sísmica, según se indica en la
sección siguiente.
Es importante mencionar que la consideración del
factor de redundancia para incrementar la acción sísmi-
ca en estructuras con baja redundancia implica, prácti-
camente, una reducción del factor de modificación de
respuesta R. Desde el punto de vista conceptual, puede
concluirse que son tres los aspectos principales que
afectan la respuesta de la estructura ante la acción sís-
mica: la ductilidad, la sobrerresistencia y la redundan-
cia estructural. De este modo, la Ecuación 2-3 puede
modificarse para incluir estos tres factores explícita-
mente en una única expresión:
R = Rµ Ωo 1/ρ (2-5)
2.5.2 Combinaciones de carga con acción de sismo
Las especificaciones sísmicas para construcciones de
acero requieren que la resistencia requerida se determi-
ne a partir de las combinaciones de carga estipuladas
en el código de aplicación (por ejemplo el ASEC/SEI
7-10, ver Ecuaciones 1-2 y 1-4). En la consideración de
la acción sísmica debe incluirse el efecto de la vibra-
ción vertical, Ev, según se explicó previamente en la
Sección 2.1.3, y el factor de redundancia estructural, ρ,
definido en la Sección 2.5.1. Es por ello que se aplica
el siguiente criterio:
En las combinaciones de carga 5 y 6 del método
ASD (Ecuaciones 1-4) y en la combinación 5 del
método LRFD (Ecuaciones 1-2), el efecto de la
carga sísmica se determina como:
28
E = Eh + Ev (2-6)
En la combinación de carga 8 del método ASD
(Ecuaciones 1-4) y en la combinación 7 del método
LRFD (Ecuaciones 1-2), el efecto de la carga sís-
mica se determina como:
E = Eh - Ev (2-7)
donde Eh = ρ QE,, siendo QE el efecto de acción sísmi-
ca horizontal, cuya determinación se realiza de acuerdo
a los requerimientos reglamentarios según el método de
análisis a aplicar.
Adicionalmente, las especificaciones ASEC/SEI 7-
10 requieren, en ciertos casos, que la determinación del
efecto sísmico se realice considerando el factor de
sobrerresistencia Ωo (cargas sísmicas amplificadas).
Para ello, el efecto sísmico incluyendo sobrerresisten-
cia, Em, que se considera en las combinaciones de carga
se define como:
Em = Emh ± Ev (2-8a)
Emh = Ωo QE (2-8b)
donde el signo del efecto sísmico vertical en la Ecua-
ción 2-8a se aplica según corresponda, con igual crite-
rio que el definido para las Ecuaciones 2-6 y 2-7. El
reglamento ANSI/AISC 360-10 aplica este criterio en
el diseño de componentes de estructuras dúctiles, en los
cuales se contemplan los principios del diseño por
capacidad, indicando en cada caso particular el valor de
Emh a considerar. De esta forma, se trata de diseñar
ciertos componentes con un nivel de resistencia reque-
rida mayor, resultante del desarrollo del mecanismo
plástico. Las especificaciones indican explícitamente
cuándo deben considerarse las cargas sísmicas amplifi-
cadas, por ejemplo para el diseño de columnas con
carga axial elevada, bases de columnas, conexiones de
riostras, etc.
2.5.3 Métodos de análisis
Los métodos de análisis han evolucionado paulatina-
mente según los avances de la ingeniería sismorresis-
tente y el desarrollo y difusión de las computadoras
como herramienta de cálculo. El primer método aplica-
do fue el de las fuerzas estáticas equivalentes, en el
cual el efecto dinámico de la acción sísmica se repre-
senta en forma simplificada mediante fuerzas laterales.
Este criterio aún se aplica en la actualidad para cons-
trucciones de baja o mediana altura con características
de regularidad estructural en planta y en elevación. El
segundo procedimiento es el “método de análisis modal
espectral” que considera la naturaleza dinámica del
problema.
Los reglamentos contemplan la posibilidad de reali-
zar análisis dinámicos con integración temporal, defi-
niendo la acción sísmica mediante varios registros de
aceleración. Estos registros pueden ser obtenidos de
sismos reales o bien generarse artificialmente y, cual-
quiera sea el caso, deben cumplir con requisitos espe-
ciales a los efectos de asegurar que representan ade-
cuadamente el terremoto de diseño. De esta forma, se
puede representar la naturaleza dinámica de la acción
sísmica, si bien el volumen de los datos de salida es
significativamente mayor que en los otros métodos,
debido a que todas las variables (solicitaciones y des-
plazamientos) son funciones temporales y deben selec-
cionarse sus valores máximos a los efectos del diseño.
El código ASCE/SEI 7-10 permite también realizar
análisis dinámicos inelásticos, es decir, considerando el
comportamiento real de la estructura. Sin embargo, la
complejidad del análisis y la interpretación de los re-
sultados son significativamente mayores, por lo cual
este procedimiento debería ser aplicado solo por dise-
ñadores con experiencia y conocimientos profundos de
la dinámica no lineal. Los lectores interesados en pro-
fundizar sobre los métodos dinámicos pueden consultar
los textos de Clough y Penzien (2010), y Chopra
(2012), que representan excelentes referencias sobre
estos temas.
El reglamento ANSI/AISC 341-10 indica algunas
pautas para el análisis estructural en su Capítulo C.
Para los análisis elásticos se requiere que la rigidez de
los miembros de acero se determine a partir de las
propiedades elásticas de las secciones, mientras que en
el caso de miembros compuestos (acero y hormigón) se
deben considerar las secciones fisuradas.
Finalmente, es importante presentar algunas consi-
deraciones generales sobre el análisis estructural. Po-
well, 2010, indica que el análisis es solo una herra-
mienta a aplicar en el diseño estructural, la cual com-
prende, en general, tres etapas: (i) modelación, (ii)
computación e (iii) interpretación. La primer etapa
requiere de experiencia y juicio crítico, a los efectos de
formular un modelo que represente adecuadamente a la
estructura real (recordar que un modelo nunca es
“exacto”). La segunda etapa consiste en la resolución
del modelo, tarea que se realiza computacionalmente
con programas de análisis estructural, para obtener los
resultados (esfuerzos y desplazamientos). Por último,
la tercer etapa implica la interpretación y utilización de
los resultados para tomar decisiones de diseño. Es por
ello que resulta de fundamental importancia verificar
los resultados obtenidos y así detectar eventuales erro-
res que pueden ocurrir ya sea porque el modelo es
inadecuado (error del usuario del programa) o bien por
problemas en el proceso de computación (error del
programa).
El significativo avance tecnológico, tanto de las
computadoras personales como de los programas para
análisis estructural, permite en la actualidad formular
modelos computacionales con un alto grado de sofisti-
cación y refinamiento. Las interfaces gráficas represen-
tan la estructura con gran detalle, con imágenes de gran
realismo, y esta situación conduce usualmente a gene-
rar una sensación de seguridad sobre la precisión del
29
modelo. Sin embargo, el uso de estas modernas herra-
mientas no garantiza que los resultados obtenidos sean
correctos. Al respecto, resultan de gran valor las reco-
mendaciones de Wilson (2010), “no use un programa
de análisis estructural a menos que comprenda comple-
tamente los fundamentos teóricos y las aproximaciones
aplicados en su desarrollo” y además “no formule un
modelo computacional a menos que se hayan definido
claramente las propiedades de los materiales, las cargas
y las condiciones de borde”. La modelación para el
análisis estructural es un tema que, más allá de su rele-
vancia, escapa de los alcances de este trabajo. Se reco-
mienda al lector interesado profundizar este tema a
partir de los textos de Powell (2010), y Wilson (2010).
2.6 TÉCNICAS AVANZADAS DE DISEÑO SIS-
MORRESISTENTE
2.6.1 Sistemas de protección sísmica
Los criterios de diseño sismorresistente convenciona-
les, presentados en secciones previas de este capítulo,
se fundamentan principalmente en los conceptos de
ductilidad (capacidad de disipar energía) y sobrerresis-
tencia estructural, de modo que se pueden reducir las
acciones de diseño inducidas por el sismo. Sin embar-
go, el desarrollo de la ductilidad implica la plastifica-
ción localizada en ciertas zonas de la estructura y even-
tualmente la ocurrencia de pandeo. Así por ejemplo, la
Figura 2-8 muestra el daño resultante en el extremo de
una viga, luego de la formación de una rótula plástica
resultado de un ensayo de laboratorio. El comporta-
miento estructural es adecuado, pero el desarrollo de la
ductilidad originó plastificación y pandeo local, lo cual
es sinónimo de daño, el cual a su vez ocasiona pérdidas
económicas.
Fig. 2-8. Imagen de la rótula plástica en el extremo de
un viga luego de la realización de un ensayo de labo-
ratorio.
A partir de la década de 1980 se produjeron avan-
ces significativos en la ingeniería sismorresistente,
particularmente por el desarrollo e implementación de
distintos dispositivos o sistemas innovadores para
controlar la acción sísmica, con los cuales es posible
evitar o reducir la necesidad de desarrollar deformacio-
nes plásticas en la estructura. En términos generales,
los sistemas para control de la vibración inducida por el
sismo (o por otras acciones como el viento) se pueden
agrupar en dos grandes categorías: (i) sistemas de con-
trol pasivo y (ii) sistemas de control activo, híbrido o
semi-activo. La Figura 2-9 muestra esquemáticamente,
a modo de resumen, la clasificación de los distintos
sistemas de protección sísmica.
El primer grupo comprende una amplia gama de so-
luciones destinadas a modificar favorablemente algu-
nas propiedades estructurales, tales como amortigua-
miento, rigidez, resistencia y ductilidad. Estos disposi-
tivos, usualmente, se incorporan a la estructura princi-
pal de modo tal que pueden remplazarse fácilmente en
caso de que fuera necesario (en forma conceptualmente
similar a un fusible en una instalación eléctrica). Los
sistemas pasivos se pueden subdividir en dos grupos,
de acuerdo al principio en el que se basa su funciona-
miento, esto es, el asilamiento sísmico y la disipación
adicional de energía (o amortiguamiento adicional).
Sistema de control o protección sísmica
Sistemas pasivos
Sistemas activos, híbridos o semi-activos
Aislamiento sísmico
Disipadores de energía
Fig. 2-9. Clasificación de los distintos sistemas de
protección sísmica.
El aislamiento sísmico se basa en el concepto de
desacoplar la respuesta dinámica de la construcción
con respecto a la componente horizontal del movimien-
to del terreno, mediante la colocación de elementos de
muy baja rigidez horizontal dispuestos, generalmente,
entre la construcción y sus fundaciones. Si bien se han
propuesto muchos sistemas diferentes, su aplicación
práctica se hizo realidad con el desarrollo de los aisla-
dores formados por capas alternadas de goma (u otro
material similar) y planchuelas de acero inoxidable. La
primera aplicación de aisladores de goma se realizó en
1969 para una escuela de tres niveles en Skopje, Yu-
goslavia, diseñada y construida por un grupo de inge-
nieros suizos. Otro ejemplo importante es el edificio
William Clayton, construido en 1981 en Wellington,
Nueva Zelanda, donde se emplearon por primera vez
aisladores de goma y plomo, que representa uno de los
métodos de aislamiento sísmico más usados en la ac-
tualidad. En los últimos veinticinco años se han dise-
ñado y aplicado otros sistemas de aislamiento, por
ejemplo, el péndulo de fricción, sistema de pilotes
encamisados, etc.
Los disipadores de energía, o sistemas con amorti-
guamiento adicional, mejoran la capacidad de disipar la
30
energía trasmitida por el sismo y protegen la estructura
principal de los daños que podrían originarse si se
aplicaran los principios de diseño sismorresistente
convencional. Estos sistemas han tenido una difusión
relativamente rápida, siendo aplicados fundamental-
mente para construcciones importantes y rehabilitación
de edificios históricos, especialmente en Estados Uni-
dos, Japón, Italia y Nueva Zelanda. Sin embargo, se
han realizado también proyectos en Armenia, Chile,
China e Indonesia para el uso de estos sistemas en
edificios de vivienda de bajo costo.
El control activo, híbrido o semi-activo incorpora
elementos especiales para la aplicación de fuerzas, los
cuales son controlados por un procesador que recibe
información de sensores ubicados en la estructura. De
esta forma se logra, en tiempo real, contrarrestar los
efectos peligrosos de la acción sísmica, mejorando la
seguridad de la construcción. Esta técnica presenta
ventajas importantes y ha tenido cierta difusión y desa-
rrollo en los últimos veinte años para control de accio-
nes de viento y sismo. Las principales desventajas son
la necesidad de asegurar el suministro eléctrico durante
el sismo y el mantenimiento constante de los elementos
que integran el sistema de control para que funcione
normalmente durante un terremoto. La mayoría de las
aplicaciones de control activo de edificios se han reali-
zado en Japón (el primer caso es el Kyobashi Seiwa
Building, de once pisos, construido en 1989) y algunos
casos aislados en Estados Unidos, Taiwán y China
(Soong y Spencer, 2000).
El desarrollo e implementación de los diversos sis-
temas de protección sísmica surge, principalmente,
como respuesta de la ingeniería estructural a una de-
manda de la sociedad, que requiere no solo evitar la
pérdida de vidas humanas ocasionadas por los sismos,
sino también reducir y controlar las pérdidas económi-
cas resultantes del daño de la construcción y del lucro
cesante producto de la interrupción de actividades
económicas. Estas nuevas soluciones, que se funda-
mentan en el avance científico y tecnológico, presentan
ventajas en términos económicos cuando el análisis se
formula en forma integral, mediante una evaluación de
costos y beneficios a lo largo de toda la vida útil de la
construcción (ver Figura 2-10). El costo inicial de la
obra puede incrementarse ligeramente (5 a10%) por la
incorporación de sistemas de protección sísmica. Sin
embargo, al producirse un sismo, estos sistemas permi-
ten reducir o eliminar las pérdidas por daño y lucro
cesante. Es por ello, que su aplicación se incrementa
año a año, tanto en los países desarrollados como en
desarrollo.
Para explicar conceptualmente el efecto estructural
de los sistemas pasivos de protección sísmica, puede
recurrirse a los principios de la dinámica y a considera-
ciones energéticas. La ecuación de equilibrio dinámico
para un sistema de un grado de libertad sometido a la
acción sísmica puede expresare como la suma de las
fuerzas inerciales, fi, la fuerza de amortiguamiento, fd,
y la fuerza restitutiva fs (Uang y Bertero, 1988):
0fvcvmfff stsdi (2-9)
donde m es la masa del sistema, c el amortiguamiento
viscoso, tv es la aceleración total y v la velocidad.
Para el caso particular de un sistema lineal y elástico, la
fuerza restitutiva es fs = k v (donde k es la rigidez y v
el desplazamiento relativo). La aceleración total puede
expresarse como la suma de la aceleración del suelo
(registro de aceleración medido instrumentalmente) y
de la aceleración relativa vvv gt , de modo que:
gs vmfvcvm (2-10)
Fig. 2-10. Esquema de la distribución de costos por
inversión inicial, por reparación y pérdidas indirectas
a lo largo de la vida útil de una construcción.
A partir de las ecuaciones de equilibrio dinámico
puede derivarse una ecuación equivalente en términos
de energía (multiplicando cada término por un diferen-
cial de desplazamiento, dv, integrando y reagrupando):
hsdki EEEEE (2-11)
donde Ei representa la energía introducida por el sismo
al sistema (input), Ek es la energía cinética, Ed es la
energía disipada por amortiguamiento viscoso, Es es la
energía de deformación elástica y Eh es la energía disi-
pada por comportamiento histerético. Es importante
notar que las energías cinética y de deformación elásti-
cas no son disipativas; por el contrario estas energías
ingresan al sistema y se intercambian según sean los
valores de la velocidad y del desplazamiento.
Para visualizar la diferencia, en términos energéti-
cos (Ecuación 2-11) entre el diseño convencional y el
asilamiento sísmico, Popov et al., 1993, propusieron
una analogía en la cual la estructura se representa me-
diante un recipiente y la energía del sismo mediante un
31
cierto caudal de agua que ingresa al mismo. En la Figu-
ra 2-11 se presenta una versión adaptada de la propues-
ta orginal de Popov et al. En el caso del diseño sismo-
rresistente convencional, el ingeniero estructural solo
puede controlar, dentro de cierto rango, la energía Eh
que puede disipar el sistema (modificando la ductilidad
de los miembros estructurales). Esta situación se repre-
senta en la Figura 2-11(a), en donde parte de la energía
ingresada permanece en el recipiente, Ek y Es, mientras
que la energía excedente es disipada en dos turbinas, Ed
(amortiguamiento viscoso) y Eh (histéresis).
Fig. 2-11. Analogía hidráulica para explicar los crite-
rios de diseño (a) convencional, (b) con aisladores y
(c) con disipadores.
Cuando se incorporan aisladores a la construcción,
su efecto puede representarse en esta analogía mediante
un desvío de parte del agua ingresante, con lo cual se
logra reducir la energía Ei, ver Figura 2-11(b). Final-
mente, el uso de elementos disipadores permite incre-
mentar la energía disipada, Ed y/o Eh, según el tipo de
disipador, con lo cual se mejora la respuesta estructural
y se evita que los miembros de la estructura conven-
cional incursionen en rango plástico y desarrollen duc-
tilidad. En la Figura 2-11(c) se muestra esta situación,
representando los disipadores mediante un recipiente
adicional, para indicar que son dispositivos claramente
diferenciables de la estructura principal, los cuales
pueden remplazarse en caso de ser necesario.
Es importante mencionar que se han desarrollado
sistemas de control que en un mismo dispositivo, o en
forma separada, incorporan el aislamiento sísmico y la
disipación adicional de energía. Con ello se logra opti-
mizar la respuesta, combinando las ventajas de ambos
sistemas.
Para mayor información el lector puede consultar la
bibliografía específica sobre estos temas: Skinner et al.
(1993), Soong y Dargush (1997), Naeim y Kelly
(1999), Christopoulos y Filiatrault (2006), Kelly y
Konstantinidis (2011), Liang et al. (2012).
2.6.2 Disipadores de energía
Dentro de la gama de posibilidades que ofrecen los
sistemas de protección sísmica, los disipadores de
energía son una alternativa interesante, y una de las
más utilizadas, no solo para el diseño de nuevas cons-
trucciones sino también para la rehabilitación de obras
existentes. La Figura 2-12 muestra los tres grupos prin-
cipales en que pueden agruparse estos dispositivos, a
partir de la variable que activa el mecanismo de disipa-
ción de energía. De todos estos dispositivos, resultan
de interés según los objetivos de este libro, los disipa-
dores de energía por fluencia del acero. Al respecto, es
importante indicar que el reglamento ANSI/AISC 341-
10 incorpora como sistema estructural los pórticos con
riostras de pandeo restringido, que son disipadores por
fluencia.
Fig. 2-12. Clasificación de los sistemas pasivos de
disipación de energía.
Los disipadores de energía por fluencia de metales
son dispositivos especialmente diseñados para asegurar
una respuesta dúctil. Se han desarrollado e implemen-
tado distintas alternativas, cada una de las cuales pre-
sentan ventajas y también limitaciones, por lo cual el
diseñador debe seleccionar la alternativa más conve-
E + Ek sE d E h
E i
Estructura
Sismo
E + Ek s
E d E h
E i
Estructura
SismoAisladores
E + Ek s
E i
Estructura
Sismo
E h
Disipador
E d
(a)
(b)
(c)
/E d
32
niente. Muchos de estos disipadores han sido diseñados
para ser colocados en estructuras arriostradas, con lo
cual se logra una buena disipación de energía en com-
binación con una elevada rigidez lateral para controlar
los desplazamientos y distorsión de piso. Usualmente
se emplea el acero como material dúctil en este tipo de
disipadores, por las ventajas conocidas de este material,
si bien se han desarrollado otras soluciones, por ejem-
plo, con cobre. Los primeros dispositivos surgieron
como una mejora de los pórticos arriostrados excéntri-
camente, con el objetivo de disponer el componente
dúctil, o disipador, fuera de la viga, como se indica en
la Figura 2-13 (a). Como ejemplo de estos disipadores
pueden mencionarse los dispositivos ADAS (por la
siglas en inglés de added damping and stiffnes) y TA-
DAS (por la siglas en inglés de triangular-plates ad-
ded damping and stiffnes) (Tsai, 1993). La Figura 2-14
muestra la imagen de un disipador ADAS de cobre,
desarrollado en Chile (http://sirve.cl) y los detalles de
un dispositivo tipo TADAS (Martínez-Rueda, J. E.
(2002).
Fig. 2-13. Esquema de la ubicación de disipadores de
energía en combinación con riostras de acero.
En otros casos, la disipación se produce en la mis-
ma riostra, ver Figura 2-13 (b), tal como ocurre en las
riostras de pandeo restringido. En la Sección 2.7, al
describir los tipos estructurales para construcciones de
acero, se presentan aspectos generales sobre estos dis-
positivos y luego en el Capítulo 6 se describen los
criterios reglamentarios de diseño.
La Figura 2-15 presenta dos disipadores de energía
por fluencia del acero para ser incorporados en riostras.
El primero de estos sistemas se basa en disipadores en
forma de doble U que se deforman en rango inelástico,
fluyendo en flexión, cuando la riostra se alarga o acorta
por acción de la distorsión de piso (Aguirre y Sanchez,
1992). El otro es un sistema producido por la empresa
Cast ConneX, que emplea un disipador en el extremo
de la riostra. El disipador cuenta con una serie de ele-
mentos de acero (“fingers”) que fluyen en flexión.
En la actualidad se dispone de una amplia gama de
disipadores de energía por fluencia, los cuales pueden
usarse no solo en pórticos arriostrados sino también en
otras estructuras para edificios y puentes.
Fig. 2-14. Ejemplos de disipadores por fluencia, (a)
ADAS y (b) TADAS.
2.7 SISTEMAS ESTRUCTURALES PARA
CONSTRUCCIONES DE ACERO
Las estructuras de acero han evolucionado a lo largo de
más de un siglo como resultado de la experiencia obte-
nida por la industria de la construcción y de numerosas
investigaciones destinadas a optimizar su uso. Este
avance ha permitido desarrollar distintos tipos de es-
tructuras sismorresistentes, los cuales presentan varia-
ciones no solo en su comportamiento estructural, sino
también diferencias constructivas, funcionales y eco-
nómicas. Esto le permite al ingeniero estructural selec-
cionar la solución más adecuada para casos particula-
res.
El reglamento ANSI/AISC 341-10 clasifica a los
sistemas estructurales para construcciones sismorresis-
tentes de acero en dos grupos, según se indica en la
Figura 2-16 (las siglas que se indican en cada caso
corresponden con la denominación en inglés adoptada
por el reglamento).
Los sistemas del primer grupo se caracterizan por-
que el comportamiento está controlado principalmente
por la flexión, mientras que en el segundo depende
principalmente de las fuerzas axiales o el corte. Es
importante observar que para un mismo tipo estructural
Disipador
(a)
(b)
33
el reglamento considera la posibilidad de que el siste-
ma se diseñe como sistema especial u ordinario. Los
sistemas especiales requieren verificaciones y detalles
constructivos más estrictos, para asegurar un compor-
tamiento muy dúctil, lo cual permite utilizar un factor
de modificación de respuesta R mayor (y por ende la
acción sísmica es menor).
Fig. 2-15. Disipadores por fluencia del acero en ex-
tremo de riostras (a) disipador en forma de doble U y
(b) disipador desarrollado por Cast ConneX
(http://www.castconnex.com/).
En contraposición, los sistemas ordinarios se dise-
ñan con acciones sísmicas mayores (factor R menor) y
por lo tanto el nivel de detalles requerido es menos
estricto. Resulta difícil indicar a priori cuál de las dos
alternativas resulta más económica. En principio, la
experiencia indica que los sistemas especiales requie-
ren menor cantidad de acero (secciones menores) si
bien los detalles para conexiones son más costosos; en
el caso de los sistemas ordinarios, la situación es inver-
sa. El diseñador deberá evaluar las características y
condicionantes de cada caso para encontrar la solución
óptima, considerando aspectos estructurales, construc-
tivos y de costo.
En las secciones siguientes se describen, en térmi-
nos generales, los distintos tipos de estructuras sismo-
rresistentes de acero, especialmente aquellos que se
encuentran explícitamente incluidos en las especifica-
ciones sísmicas ANSI/AISC 341-10. Posteriormente,
en los Capítulos 3, 4, 5, 6 y 7 y se presentan los aspec-
tos particulares del diseño de cada uno de ellos.
Sistemas de pórticos a momento
Pórticos no arriostrados ordina-rios, OMF
Pórticos no arriostrados interme-dios, IMF
Pórticos no arriostrados especia-les, SMF
Pórticos no arriostrados especia-les con vigas reticuladas, STMF
Sistemas de columnas ordinarias en voladizo, OCCS
Sistemas de columnas especia-les en voladizo, SCCS
Sistemas de pórticos arriostrados y muros de corte
Pórticos ordinarios arriostrados concéntricamente, OCBF
Pórticos especiales arriostrados concéntricamente, SCBF
Pórticos arriostrados excéntrica-mente, EBF
Pórticos con riostras de pandeo restringido, BRBF
Muros de corte especiales con placas de acero, SPSW
Fig. 2-16. Clasificación de los sistemas estructurales
sismorresistentse para construcciones de acero.
2.7.1 Pórticos no arriostrados
Los pórticos no arriostrados o pórticos resistentes a
momento son ensambles rectilíneos de vigas y colum-
nas conectadas entre sí mediante soldaduras, pernos o
ambos (ver figura 2-17). Los miembros componentes
de estos pórticos quedan sometidos principalmente a
momentos flectores y esfuerzos de corte, que controlan
su diseño, razón por la cual también se los denomina
“pórticos a momentos”.
Este tipo estructural se caracteriza por su elevada
capacidad de disipación de energía, cuando se diseña y
construye para tal fin. Las especificaciones AN-
SI/AISC 341-10 consideran tres niveles de desempeño,
esto es: pórticos especiales, intermedios u ordinarios.
Un aspecto fundamental en el diseño de los pórticos
no arriostrados son las conexiones viga-columna, las
cuales son necesarias desde el punto de vista construc-
tivo y deben asegurar que las vigas pueden desarrollar
su capacidad a flexión. Como se mencionó en el capí-
tulo anterior, se ha avanzado significativamente en este
Riostra con disipadores
por fluencia del acero
Detalle del disipador en doble U
(a)
(b)
34
aspecto a partir de las lecciones aprendidas luego de los
terremotos de Northridge y Kobe.
Dentro de las alternativas que ofrece este tipo es-
tructural, las especificaciones sísmicas ANSI/AISC
341-10 contemplan un caso particular: los pórticos con
vigas reticuladas (ver Figura 2.18). Éstos se caracteri-
zan por contar con un segmento especial en la viga que
se diseña para deformaciones inelásticas significativas
cuando es sometido a la acción del sismo, de acuerdo a
un mecanismo de deformación plástica como el que se
indica en la Figura 2-19 (Basha y Goel, 1994, Goel et
al., 1998). La disipación de energía resulta de la fluen-
cia por flexión en los cordones de la viga y la fluencia
axial y pandeo de las barras diagonales dentro del seg-
mento especial. Las partes restantes de la viga y las
columnas se diseñan para permanecer en rango elásti-
co.
Fig. 2-17. Vista general de una estructura de pórticos
no arriostrados para un edificio comercial.
De acuerdo a las especificaciones ANSI/AISC 341-
10, la luz de la viga reticulada no debe exceder los 20
m y su altura total no debe ser mayor que 1.8m. La
longitud del segmento especial debe estar comprendida
entre 0.1 y 0.5 veces la luz de la viga (el primer límite
surge de consideraciones para controlar la demanda de
ductilidad en los componentes que fluyen, mientras que
el segundo límite se debe a razones prácticas). La rela-
ción entre la longitud y la altura de cualquier panel
dentro de la zona del segmento especial debe estar
comprendida entre 0.67 y 1.5. Es recomendable dispo-
ner el segmento especial en la zona central de la viga,
debido a que el esfuerzo de corte producido por las
cargas gravitatorias es mínimo en esta posición.
Los ensayos estructurales realizados por distintos
investigadores indican que los pórticos especiales con
viga reticulada presentan un comportamiento dúctil,
con una respuesta cíclica estable hasta distorsiones de
piso del 3%.
2.7.2 Pórticos arriostrados concéntricamente
Los pórticos arriostrados surgieron a comienzos del
siglo XX como una alternativa estructural para edifi-
cios de mediana y baja altura. La presencia de las
barras diagonales o riostras modifica significativamen-
te el comportamiento del pórtico, dado que se forma
una estructura reticulada, con triangulaciones (ver
Figura 2-20). Las acciones laterales de viento y sismo
inducen en la estructura principalmente esfuerzos axia-
les de tracción y compresión. Este tipo estructural se
caracteriza por una elevada rigidez lateral, lo que per-
mite un adecuado control de los desplazamientos.
Fig. 2-18. Pórtico no arriostrado con vigas reticula-
das, (a) segmento especial con reticulado en X, y (b)
segmento con panel Vierendeel.
Fig. 2-19. Mecanismo de deformación plástica para
casos típicos de pórticos no arriostrado con viga reti-
culada.
Se pueden plantear diferentes configuraciones, co-
mo se muestra esquemáticamente en la Figura 2-21. La
adopción de la configuración más conveniente en cada
caso se realiza a partir de consideraciones estructurales,
funcionales y eventualmente aspectos estéticos. Las
diferentes configuraciones se discuten con más deteni-
miento en el Capítulo 4.
Desde el punto de vista arquitectónico, los pórticos
Segmento
especial
Segmento
especial
35
no arriostrados pueden considerarse como menos inva-
sivos, debido a que otorgan mayor libertad al diseñador
en la distribución de espacios. La disposición de las
riostras, ya sea en las fachadas o en pórticos interiores
puede dificultar la ubicación de aberturas o dificultar
las circulaciones. Sin embargo, muchos arquitectos han
logrado excelentes diseños mostrando y resaltando las
riostras como componentes importantes de la solución
estética adoptada, como se muestra en los ejemplos de
la Figura 2-22.
Fig. 2-20. Vista de un edificio en construcción con
pórticos arriostrados.
Fig. 2-21. Configuraciones típicas para pórticos
arriostrados concéntricamente, (a) riostras en X, (b) en
K, (c) en diagonal, (d) en V invertida y (e) en V.
Los arriostramientos concéntricos de acero presen-
tan ventajas significativas para la rehabilitación sísmica
de estructuras (ver Figura 2-23), ya que permiten fabri-
car los componentes de acero en taller y luego montar-
los en obra con alteraciones mínimas de la actividad
que se desarrolla en la construcción, particularmente en
los casos en los que los pórticos arriostrados se dispo-
nen en la periferia de la construcción. Otra solución
interesante es colocar solamente riostras de acero para
rehabilitar estructuras aporticadas existentes (de acero
u hormigón armado), tal como se muestra en la Figura
2-24.
Fig. 2-22. Edificio “Hearst Tower”, en New York y
Tokyo Sky Tree.
Fig. 2-23. Vista de un pórtico arriostrado de acero
utilizado para la rehabilitación de una estructura exis-
tente de hormigón armado.
36
Las especificaciones sísmicas AISC consideran dos
categorías de pórticos arriostrados concéntricamente:
especiales y ordinarios, según su nivel de desempeño
para el cual se diseñarán. Como se indicó anteriormen-
te, en los pórticos especiales se utiliza un factor de
respuesta R mayor y los requerimientos y detalles son
más estrictos que en el caso de los pórticos ordinarios.
Fig. 2-24. Ejemplo de rehabilitación mediante el agre-
gado de riostras de acero a una estructura de hormi-
gón armado.
2.7.3 Pórticos arriostrados excéntricamente
Los pórticos no arriostrados pueden exhibir una res-
puesta dúctil y estable; sin embargo, son estructuras
relativamente flexibles y el diseño usualmente es con-
trolado por las limitaciones de la distorsión de piso.
Los pórticos con arriostramientos concéntricos repre-
sentan una situación inversa, debido a que se caracteri-
zan por una elevada rigidez lateral, pero su comporta-
miento sismorresistente puede verse afectado por el
pandeo de las riostras comprimidas. Es por ello que en
la década de 1970 se desarrolló en Japón (Fujimoto et
al., 1972, y Tanabashi et al., 1974) y en Estados Unidos
de América (Popov et al. 1987 y 1989) un sistema que
trata de combinar las ventajas de los dos anteriores,
contrarrestando sus debilidades. Así, surgieron los
pórticos arriostrados excéntricamente, en los cuales las
riostras se disponen deliberadamente de forma tal de
generar una excentricidad en la viga (ver Figura 2-25)
donde se inducen esfuerzos de corte y momentos flec-
tores elevados. Estas zonas, llamadas enlaces (en in-
glés, link) se diseñan especialmente para disipar ener-
gía mientras el resto de los componentes se diseñan
para responder esencialmente en rango elástico.
La Figura 2-26 muestra las configuraciones más
usuales con el enlace (zona dúctil) ubicado en las vigas.
No es recomendable generar la zona de enlace en las
columnas, debido a que en ese caso el esfuerzo axial
(variable por efecto de la acción sísmica) dificulta la
determinación precisa de la resistencia a flexión y
corte. Además, la falla no deseada del enlace en la
columna tendría consecuencias mucho más graves que
si el mismo se dispusiera en las vigas.
Fig. 2-25. Ejemplos de pórticos con arriostramientos
excéntricos (Cortesía de National Information Service
for Earthquake Engineering, EERC, University of
California, Berkeley).
La Figura 2-26(a) muestra un pórtico arriostrado
con enlace interior, esto es en la parte central de la
viga, mientras que las Figura 2-26(b) y (c) representan
configuraciones con enlace exterior, en las que el enla-
ce está en los extremos de la viga. En estos dos últimos
casos la conexión viga-columna se encuentra ubicada
en la zona dúctil, donde se generan solicitaciones ele-
vadas de flexión y corte. Es por ello que la conexión
debe diseñarse con requerimientos similares a los apli-
cados en el caso de conexiones en pórticos no arrios-
trados dúctiles.
Los pórticos arriostrados con conexiones excéntri-
37
cas constituyen un buen ejemplo de aplicación del
diseño por capacidad, mediante el cual el diseñador
define un mecanismo de deformación plástica (fluencia
por flexión y/o corte en el enlace) y evita modos de
falla no deseados (pandeo de las riostras y columnas).
Estas estructuras representan una solución excelente
para el diseño sismorresistente debido a que combinan
una elevada rigidez lateral, por efecto de las riostras, y
una muy adecuada capacidad de disipación de energía.
Por estas razones, fueron adoptados rápidamente como
sistema estructural en distinto tipo de construcciones
sismorresistentes, incluso en casos de rehabilitación de
estructuras existentes.
Fig. 2-26. Configuraciones típicas para pórticos
arriostrados excéntricamente.
Los esfuerzos típicos que la acción sísmica induce
en este tipo de pórticos se presentan en la Figura 2-27,
para el caso de una estructura simple de dos pisos, con
el enlace en la parte central de la viga. Se observa cla-
ramente cómo la conexión excéntrica genera esfuerzos
elevados de flexión y corte en la zona del enlace. Estos
esfuerzos son los que producen la fluencia en dicha
zona, disipando energía y asegurando así una adecuada
ductilidad al sistema. La relación entre el momento
flector y el corte inducidos en el enlace puede modifi-
carse si se varía la longitud del mismo. De esta forma
el diseñador puede controlar el comportamiento del
enlace, para que éste fluya por corte o por flexión,
siendo el primer mecanismo de fluencia el más conve-
niente.
El enlace debe diseñarse y detallarse en forma ade-
cuada para asegurar una respuesta dúctil y estable, para
lo cual es importante controlar los problemas de ines-
tabilidad por pandeo local. Los ensayos de laboratorio
muestra que esto puede lograrse mediante el uso rigidi-
zadores verticales dispuestos en el alma del perfil. La
Figura 2.28 muestra el detalle típico de un enlace.
Fig. 2-27. Diagramas de solicitaciones por acción
sísmica, (a) momentos flectores, (b) corte, y
(c) esfuerzos axiales.
Fig. 2-28. Detalle del enlace en un pórtico con arrios-
tramientos excéntricos
2.7.4 Sistemas de columnas en voladizo
Las columnas en voladizo (cantiléver columns) consti-
tuyen un sistema estructural simple, en el cual el com-
portamiento de las columnas está controlado por la
flexión originada por las acciones laterales, tales como
viento o sismo. En la Figura 2-29 se muestra el esque-
ma de una columna en voladizo y se representan los
diagramas de solicitaciones típicos. El diagrama de
momentos flectores presenta su valor máximo en la
(a) (b)
(c)
38
base, donde la columna se empotra en la fundación o
en otro elemento estructural. Este sistema se emplea en
construcciones industriales, soportes de equipos o tan-
ques, estanterías para mercaderías, pilas de puentes,
etc. En la Figura 2.30 se presenta algunos ejemplos de
construcciones que incorporan este sistema estructural.
Fig. 2-29. Esquema de una columna en voladizo y
diagramas de solicitaciones.
Fig. 2-30. Ejemplos del sistema estructural columnas
en voladizo.
Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 conside-
ran dos casos para las columnas en voladizo, esto es
ordinarias o especiales, según el nivel de desempeño
esperado. Las primeras se diseñan considerando que
presentan una capacidad de deformación inelástica
mínima como resultado de la fluencia por flexión,
mientras que en las columnas especiales dicha capaci-
dad es limitada. En ambos casos se especifica que las
columnas deben diseñarse a partir de las combinacio-
nes de carga amplificadas y que la carga requerida en la
columna no puede exceder el 15% de la resistencia
disponible.
En las columnas especiales se especifican ciertos
requerimientos adicionales para alcanzar una respuesta
con ductilidad limitada. Es así que se requiere que las
columnas cumplan con los criterios de miembros de
alta ductilidad y dispongan de arriostramientos para
satisfacer las condiciones de vigas clasificadas como
miembros de ductilidad moderada (para más detalle
consultar la Sección D1 de ANSI/AISC 341-10). Ade-
más se requiere que la base de las columnas, a lo largo
de una longitud de dos veces la altura de la sección, se
considere como zonas protegidas y las soldaduras de
empalmes y de la conexión base-columna cumplan los
requerimientos de soldaduras de demanda crítica (ver
Secciones 2.8.1 y 2.8.2 de este texto).
2.7.5 Pórticos con riostras de pandeo restringido
Las riostras de pandeo restringido son disipadores de
fluencia incorporados en la misma riostra, ver Figura 2-
13 (b), las cuales fueron desarrolladas originalmente en
Japón (Watanabe et al., 1988; Wada y Nakashima,
2004) y han sido aplicadas como una conveniente solu-
ción estructural, ver Figuras 2-31 y 2-32, en varios
países (Black et al, 2002; Sabelli et al, 2002; Tremblay
et al., 2006; Palazzo et al., 2009). Esta es la razón por
la cual las especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-
10 incluyen estos dispositivos como sistema estructu-
ral: los pórticos con riostras de pandeo restringido
(BRBF, buckling-restrained braced frames).
Las riostras de pandeo restringido están formadas
por una barra o núcleo de acero recubierto por una capa
deslizante o antiadherente; esta barra se inserta en un
tubo exterior, el cual se rellena con mortero de cemento
(grout), como se ilustra en la Figura 2-33. De esta
forma, se logra que el núcleo de acero fluya tanto en
tracción como en compresión, dado que el tubo exterior
y el mortero de relleno evitan en pandeo global y local
del núcleo. Las ventajas de las riostras de pandeo res-
tringido frente a una riostra típica son significativas,
debido a que se logra una respuesta estable y sin la
reducción del área de los ciclos de histéresis por pro-
blemas de pandeo.
Momento flector Corte Axial
39
Fig. 2-31. Pórtico de acero con riostras de pandeo
restringido.
Fig. 2-32.Vista de una riostra de pandeo restringido
utilizada en nuevo edificio de la Universidad de Cali-
fornia, Berkeley (Cortesía de National Information
Service for Earthquake Engineering, EERC, University
of California, Berkeley).
2.7.6 Muros de corte con placas de acero
Los muros de corte con placas de acero (SPSW, por las
siglas en inglés de steel plate shear walls) son estructu-
ras formadas por placas esbeltas (alma del muro) co-
nectadas a componentes de borde horizontal (HBE) y
vertical (VBE), ver Figura 2-34. En el caso de existir
aberturas, éstas deben disponer de elementos interme-
dios de borde que rodeen totalmente su perímetro.
Las placas de acero se diseñan para fluir y pandear
bajo la acción sísmica y constituyen así el principal
mecanismo de deformación plástica y disipación de
energía, mientras los componentes de borde permane-
cen en rango elástico. Solo se admite la formación de
rótulas plásticas en los componentes de borde horizon-
tal o vigas. Si bien este sistema estructural se ha usado
desde hace varias décadas en distintos países, recién en
el año 2005 fue explícitamente incluido en las especifi-
caciones sísmicas del AISC. En la Figura 2-35 se
muestra un ejemplo de este sistema estructural en un
edificio en construcción.
Fig. 2-33. Detalle de una riostra de pandeo restringi-
do, formada por un núcleo de acero de acero recubier-
to con una capa deslizante dentro de un tubo exterior
relleno con mortero de cemento.
.
(a) (b)
Fig. 2-34. Esquema de muros de corte con placas de
acero (a) sin aberturas y (b) con aberturas.
+
Núcleo de acero con
capa antiadherente
Tubo exterior
40
El tipo más usual de muros con placas de acero es
el que incluye placas esbeltas sin rigidizadores, y re-
presenta la base para la cual fueron formuladas las
especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10. Otra
alternativa es el uso de muros con placas rigidizadas,
mediante elementos adicionales de acero que incremen-
tan la resistencia al pandeo de la placa por corte. De
acuerdo con las características de los rigidizadores, se
logra un efecto de rigidización total o parcial (en los
casos en que son relativamente flexibles en compara-
ción con la placa). Adicionalmente, pueden usarse
muros compuestos con placas de acero, en los cuales se
agrega hormigón en una o en ambas caras de la placa.
La rigidización de la placa de acero tiene un efecto
moderado sobre la rigidez y la resistencia de la estruc-
tura, pero mejora significativamente la respuesta histe-
rética pues permite controlar el pandeo local y reducir
el efecto de estrangulamiento de los ciclos (pinching,
en inglés). Adicionalmente, el uso de rigidizadores
disminuye la demanda de resistencia y rigidez sobre los
componentes de borde. Sin embargo, estas ventajas
estructurales se ven contrarrestadas por un aumento de
los costos y tiempos de construcción, por lo cual se
recomienda el uso de placas sin rigidizar (Sabelli y
Bruneau, 2006).
Fig. 2-35. Ejemplo de muros de corte con placas de
acero en un edificio en construcción.
La publicación Steel Design Guide 20-Steel Plate
Shear Walls (Sabelli y Bruneau, 2006) presenta una
detallada descripción sobre el diseño de estas estructu-
ras, con numerosos ejemplos de aplicación en USA,
Japón, Canadá y México.
2.7.7 Estructuras con miembros compuestos
Las estructuras compuestas de acero y hormigón se han
utilizado desde hace más de 120 años, particularmente
para edificios y puentes. Las primeras aplicaciones se
realizaron con miembros de acero embebidos en hor-
migón, con el objetivo principal de proveer protección
contra el fuego y luego, a medida que se difundió el
sistema, se aprovecharon las ventajas estructurales del
mismo. La lista de ejemplos es muy amplia, por lo cual
se mencionan solo uno pocos casos (en la bibliografía
sobre el tema y en internet pueden encontrarse muchas
aplicaciones más). El Empire State Building, ver Figura
2-36, construido en New York a principios de la déca-
da de 1930, tiene una estructura de acero aporticada
embebida en hormigón. La acción compuesta no fue
considerada en este caso para la determinación de la
capacidad sismorresistente, si bien la rigidez lateral se
duplicó a los efectos de verificar los desplazamientos
de la estructura.
Fig. 2-36. Fotografías de la construcción del Empire
State Building.
Otro ejemplo interesante es la Millennium Tower,
en Austria, un edificio de 51 pisos para uso comercial y
residencial (Huber, 2001). En este edificio se requería
un plazo de ejecución muy reducido por lo que se
adoptó un sistema estructural formado por un núcleo
central de hormigón armado convencional en combina-
ción con pórticos formados por miembros compuestos.
La estructura aporticada tiene columnas circulares
embebidas y vigas de reducido espesor formadas por
41
perfiles T embebidos en la losa de hormigón. El siste-
ma constructivo adoptado, conjuntamente con una
eficiente organización de las tareas, permitió construir,
en promedio, 2.5 pisos del edificio por semana.
Fig. 2-37. Imagen del edificio Millenium Tower, en
Viena, Austria.
En el caso de edificios de altura, una solución muy
conveniente desde el punto de vista estructural y cons-
tructivo ha sido el uso de “super-columnas” compues-
tas. Éstas son columnas de gran tamaño, usualmente
dispuestas en la periferia del edificio, que confieren a la
estructura rigidez y resistencia lateral. Taranath (2012)
presenta interesantes ejemplos de este tipo de construc-
ciones, entre los cuales puede mencionarse el edificio
Norwest Center (ahora Wells Fargo Center), Minnea-
polis, de 56 pisos, en el que se emplearon columnas de
acero tipo cajón rellenas con hormigón de alta resisten-
cia (70 MPa). En el momento de la construcción se
estimó que el sistema estructural adoptado resultó 5 a 6
veces más económico que una estructura equivalente
con columnas de acero.
También se han usado super-columnas formadas
por un tubo circular de acero relleno con hormigón,
como en el caso del edificio Pacific First Center, de 44
pisos. La estructura principal está formada por 8 co-
lumnas de 2.3 m de diámetro rellenas con hormigón de
130 MPa de resistencia a compresión. Además, se
usaron 16 columnas compuestas, de menor diámetro,
para conformar un pórtico perimetral cuya principal
función es resistir cargas gravitatorias. La Figura 2-39
presenta un esquema estructural de la planta tipo del
edificio.
En la Figura 2-40 se muestra la sección típica de
las super-columnas compuestas circulares, donde
usualmente se emplean pernos soldados para vincular
el tubo exterior con el hormigón de relleno.
Fig. 2-38. Edificio Norwest Center (ahora Wells Fargo
Center), Minneapolis, con super-columnas compuestas.
Fig. 2-39. Planta típica del edificio Pacific First Cen-
ter.
Fig. 2-40. Super-columna compuesta de sección circu-
lar de acero con pernos de vinculación.
42
En la actualidad se emplean distintos tipos estructu-
rales para construcciones sismorresistente compuestas.
Los pórticos, ya sea con o sin arrostramientos, se pue-
den diseñar dentro de una amplia gama de alternativas,
usando para vigas, columnas y riostras los distintos
tipos de secciones compuestas, descriptos previamente
en la Sección 1.5. Es decir que se pueden combinar
miembros compuestos rellenos, embebidos, vigas com-
puestas con conectores de corte, losas compuestas y
eventualmente miembros de acero o de hormigón ar-
mado, según los requerimientos particulares de cada
caso. Los tipos de pórticos son los mismos que se pre-
sentaron en secciones anteriores para estructuras de
acero.
En el caso de pórticos compuestos no arriostrados,
es bastante usual combinar columnas compuestas,
embebidas o rellenas, con vigas de acero estructural.
Esta solución permite diseñar pórticos cuyas columnas
presentan una rigidez y resistencia elevada, mientras
que las vigas (que no requieren hormigón) se montan
en obra rápidamente, reduciendo los tiempos de cons-
trucción y disminuyendo el uso de encofrados y apun-
talamiento.
También pueden usarse secciones compuestas para
muros sismorresistente, y al igual que en el caso de los
pórticos, se dispone de numerosas alternativas para el
diseño según se combinen perfiles y chapas de acero
con hormigón armado para formar miembros embebi-
dos, rellenos o ambos. Los tipos de secciones más
comunes para muros compuestos se describen en el
Capítulo 8, al presentar los requerimientos de diseño
para este tipo de estructuras.
El uso de muros acoplados, ver Figura 2-41, repre-
senta una alternativa interesante en el diseño de edifi-
cios sismorresistentes. El efecto de acople que produ-
cen las vigas permite transferir fuerzas verticales entre
los muros, lo cual modifica el comportamiento estruc-
tural, de modo que los muros no se comportan como
miembros aislados sino que trabajan en conjunto (en
forma similar a un pórtico). Las principales ventajas
son:
El acoplamiento, a través de las vigas, reduce el
momento flector en la base de los muros individua-
les, debido a que parte del momento de vuelco es
resistido por las reacciones verticales.
Se induce un mecanismo plástico más eficiente,
mediante la formación de rótulas plásticas no solo
en la base de los muros sino también en las vigas de
acople.
La rigidez lateral de la estructura es mayor que la
suma de las rigidices individuales de los muros ais-
lados, lo que facilita el control de las distorsiones
de piso.
Los muros acoplados, tradicionalmente, se han
construido con hormigón armado. La posibilidad de
incluir miembros compuestos representa una alternati-
va de gran interés por las ventajas que pueden lograrse.
Los muros pueden diseñarse como miembros com-
puestos, de acero o de hormigón armado, mientras que
las vigas de acople usualmente son miembros com-
puestos o de acero estructural. Dentro de estas alterna-
tivas, una solución conveniente es utilizar vigas de
acero para acoplar los muros, ver Figura 2-42. Estas
vigas presentan ventajas constructivas y estructurales,
en comparación con vigas equivalentes de hormigón
armado. Los principales inconvenientes de las vigas de
hormigón armado surgen de las limitaciones propias de
estos miembros estructurales para resistir fuerzas de
corte muy elevadas (como las que pueden inducirse en
los muros acoplados). Es por ello que usualmente debe
disponerse de armadura de refuerzo diagonal, lo cual
complica y demora el proceso constructivo.
Fig. 2-41. Ejemplos de muros acoplados
Fig. 2-42. Muros compuestos acoplados con vigas de
acero.
Las vigas de acople de acero deben anclarse ade-
cuadamente dentro de los muros para asegurar la trans-
43
ferencia de las fuerzas de corte y el desarrollo de la
capacidad flexional de las vigas mediante la formación
de rótulas plásticas. El anclaje usualmente se logra
introduciendo los extremos de la viga en la sección del
muro con una longitud adecuada y utilizando conecto-
res para lograr una adecuada vinculación con el hormi-
gón que forma parte del miembro compuesto. La Figu-
ra 2-43 muestra la imagen, tomada durante la construc-
ción, de muros de hormigón armado acoplados con
vigas de acero.
Fig. 2-43. Muros compuestos acoplados con vigas de
acero (Lehmkuhl, 2002).
2.8 SISTEMAS SISMORRESISTENTES
El sistema sismorresistente (seismic load resistent
systems, SLRS) de una construcción, comprende todos
los componentes estructurales y sus conexiones, nece-
sarios para transferir las fuerzas de inercia inducidas
por el sismo desde su punto de origen hasta el terreno
de fundación. Los componentes de un sistema típico,
para el caso de edificios, pueden agruparse en:
Componentes verticales, que usualmente se dispo-
nen formando un plano resistente y conforman uno
o más de los tipos estructurales descriptos previa-
mente, tales como pórticos no arriostrados, pórticos
arriostrados, tabiques con placas de acero, etc.
Diafragmas horizontales, formados por losas, rios-
tras u otros componentes, con el objeto de trasmitir
las fuerzas de inercia. Estos diafragmas actúan co-
mo placas horizontales que distribuyen dichas
fuerzas entre los componentes verticales, permi-
tiendo así que se transfieran hasta el terreno de fun-
dación.
Fundaciones, tienen como función transferir todas
las cargas al terreno sobre el que se funda la cons-
trucción. De acuerdo a las características del te-
rreno, tipo de estructura, técnicas constructivas dis-
ponibles, etc, se usan distintos tipos de fundaciones,
tales como, bases superficiales, pilotes, bases corri-
das o continuas, etc.
Conexiones, entre los distintos componentes que
componen el sistema. El adecuado diseño y cons-
trucción de las conexiones constituyen un aspecto
fundamental para garantizar la condición sismorre-
sistente de todo el sistema.
A los efectos de asegurar la respuesta dúctil y esta-
ble del sistema sismorresistente, las especificaciones
sísmicas ANSI/AISC 341-10 definen los conceptos de
zonas protegidas, soldaduras de demanda crítica y
"área-k". Estos conceptos se explican en las secciones
siguientes.
2.8.1 Conexiones
Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 indican, en su
sección D2, criterios generales para el diseño de cone-
xiones en estructuras sismorresistentes. Estos requeri-
mientos son:
a) Conexiones apernadas
La resistencia a corte de la conexión con agujeros
estándar debe calcularse como pernos tipo aplasta-
miento (la resistencia nominal no debe tomarse ma-
yor que 2.4 d t Fu, ver ANSI/AISC 360).
Pernos y soldadura no deben combinarse en una
conexión para resistir en forma compartida la mis-
ma componente de una fuerza.
Los agujeros para los pernos deben ser agujeros
estándar o agujeros de ranura corta (en la dirección
perpendicular a la carga aplicada).
b) Conexiones soldadas
No se indican requerimientos especiales, salvo la
aplicación del Capítulo J del ANSI/AISC 360.
c) Conexiones compuestas
Se indican una serie de requerimientos particulares,
que por su extensión y especificidad, se describen
en la Sección 2.8.6.
Estos requisitos son de carácter general; luego para
los distintos tipos de estructuras se indican requisitos
adicionales, particularmente en aquellas diseñadas
como estructuras de ductilidad elevada.
2.8.2 Zonas protegidas
Las zonas protegidas constituyen porciones limitadas
de ciertos miembros o componentes del sistema sismo-
rresistente, que se diseñan especialmente para soportar
deformaciones cíclicas inelásticas bajo la acción del
sismo de diseño. Como ejemplo de estas zonas, pueden
mencionarse las rótulas plásticas en vigas de pórticos
no arriostrados y los conectores (o links) en pórticos
arriostrados excéntricamente. Los resultados experi-
mentales muestran la sensibilidad que presentan las
zonas donde se desarrollan grandes deformaciones
inelásticas a la presencia de discontinuidades origina-
das por soldaduras, perforaciones y cambios bruscos de
sección. Muchas de las operaciones que se realizan
durante la fabricación, el montaje y la terminación de la
obra pueden crear este tipo de discontinuidades, por lo
cual resulta necesario no sólo el diseño adecuado de la
estructura, sino también la coordinación con otros
grupos de trabajo, como por ejemplo los encargados de
la construcción de los sistemas de instalaciones (elec-
44
tricidad, agua, aire acondicionado, etc).
Las especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10
incluyen criterios precisos para el diseño, el detalle y la
fabricación de las zonas protegidas, particularmente
cuando se utilizan uniones soldadas. Con ello se busca
evitar defectos físicos y metalúrgicos que podrían re-
sultar en fractura del material y degradación de resis-
tencia, con lo cual se afecta la respuesta estructural de
todo el sistema. Sobre este tema, resulta de interés
consultar la normativa AWS D1.8 Structural Welding
Code-Seismic Supplement, editada por la American
Welding Society y la referencia Steel Desgin Guide 21:
Welded Connections-A Prime for Engineers, Miller
(2006).
De acuerdo con las especificaciones sísmicas AN-
SI/AISC 341-10, en las zonas protegidas se debe cum-
plir con las siguientes exigencias:
Deben repararse las discontinuidades originadas por
puntos de soldadura, ayudas de montaje, cortes
irregulares, etc.
No se deben colocar conectores de corte soldados o
puntos de soldadura en las alas de las vigas (por
ejemplo para asegurar placas de acero en losas mix-
tas).
No se deben disponer soldaduras, pernos y fijacio-
nes para sostener paneles, carpintería, cañerías,
otras instalaciones, etc.
No todas las zonas que experimentan deformacio-
nes plásticas son consideradas como zonas protegidas.
Así por ejemplo la zona panel en conexiones viga-
columna no se incluye en esta categoría. No obstante
ello, es conveniente evitar discontinuidades aún en
estos casos.
2.8.3 Tipos de soldaduras. Soldaduras de demanda
crítica
La soldadura es un medio de unión muy utilizado en
todo tipo de conexiones por sus muchas ventajas. Sin
embargo, es importante reconocer que presenta limita-
ciones y que el diseño y la construcción de conexiones
soldadas requiere de especial cuidado, para evitar pro-
blemas como los observados luego del terremoto de
Northridge en 1994, descriptos en la Sección 1.4.5. Al
respecto pueden considerarse tres tipos de soldaduras:
Soldaduras no-sísmicas: son aquellas que corres-
ponden a estructuras sin requerimientos sismorre-
sistentes o bien estructuras donde se considera un
factor de comportamiento R=3. En este caso, el di-
seño se realiza de acuerdo con las especificaciones
ANSI/AISC 360-10 y AWS 1.1 Structural Welding
Code-Steel.
Soldaduras sísmicas: incluye todas las soldaduras
de sistemas sismorresistentes (con R>3) y deben
ajustarse a las especificaciones ASIC 341-10 y
AWS D1.8 Structural Welding Code-Seismic Supple-
ment.
Soldaduras de demanda crítica (demand critical
welds): son soldaduras en sistemas sismorresisten-
tes que pueden quedar sometidas a niveles de de-
formación de fluencia, de modo que su falla origina
degradación de rigidez y resistencia en el sistema.
Las especificaciones ANSI/AISC 360-10 identifi-
can específicamente los casos en que deben considerar-
se soldaduras de demanda crítica. Las soldaduras entre
las alas de vigas y las columnas en pórticos no arrios-
trados especiales e intermedios y los empalmes solda-
dos en columnas de pórticos arriostrados excéntrica-
mente son ejemplos de dicho tipo de soldadura. Los
electrodos y procedimientos constructivos deben cum-
plir con criterios adicionales indicados en las especifi-
caciones ANSI/AISC 341-10 (Apéndice W) y en AWS
D1.8 Structural Welding Code-Seismic Supplement. En
particular, el metal de relleno de la soldadura debe
cumplir con valores límites de energía absorbida, me-
dida a través de ensayos de impacto Charpy (se requie-
re una resiliencia de 27J a 21ºC en el ensayo Charpy V-
Notch).
2.8.4 "Área-k"
En diversos detalles de estructuras metálicas, particu-
larmente en el caso de nudos viga-columna de pórticos,
es necesario utilizar rigidizadores, placas de continui-
dad o placas de refuerzo nodal (doubler plates), lo cual
implica soldar en las zonas de unión entre ala y alma de
perfiles laminados. Esta zona, denominada “área-k”, se
define como la región del alma de un perfil que se
extiende desde el punto donde termina la transición
entre ala y alma (definido por la dimensión "k") hasta
38 mm dentro del alma, como se ilustra en la Figura 2-
44.
Las observaciones en estructuras de acero y los re-
sultados de ensayos de laboratorio indican que las
áreas-k son proclives a experimentar fracturas debido a
que presentan propiedades diferentes al resto de la
sección. El cambio de las propiedades se atribuye a las
fuerzas de contacto que se generan al finalizar el proce-
so de laminación para corregir deformaciones y defec-
tos que exceden las tolerancias permitidas (cold roller
straightening). En este proceso, el material experimen-
ta endurecimiento y envejecimiento por deformación,
por lo cual se vuelve más resistente y duro, pero tam-
bién más frágil y con menor resiliencia. Es por ello que
no se recomienda realizar soldaduras en estas zonas
(FEMA, 2000g).
En los Comentarios de las especificaciones AN-
SI/AISC 341-10 se recomienda usar cortes en las es-
quinas de las placas y rigidizadores pare evitar el con-
tacto en las áreas-k. En la Figura 2-45 se muestra el uso
de este detalle constructivo para el caso de placas de
continuidad con dos opciones: cortes rectos y cortes
curvos (con un radio mínimo de 13mm).
45
Fig. 2-44. Definición del "área-k" en perfiles lamina-
dos.
Fig. 2-45. Detalle de placas de continuidad con cortes
rectos y curvos en las esquinas.
En aquellos casos que no se puede evitar la solda-
dura en las áreas-k o éstas han sido realizada por error,
debe inspeccionarse esas soldaduras de acuerdo al
procedimiento establecido en Capítulo J de las especi-
ficaciones ANSI/AISC 341-10, mediante ensayos con
partículas magnéticas.
2.8.5 Arriostramientos para estabilidad de vigas
Las especificaciones requieren, para las vigas pertene-
cientes a distintos sistemas estructurales, que se dis-
pongan arriostramientos para restringir la inestabilidad
lateral y torsional. El arriostramiento de vigas es un
tema más complicado que el de columnas, por el hecho
de que el pandeo de vigas implica la combinación de
esfuerzos de flexión y torsión. Es por ello que en esta
sección se profundiza este tema a partir de las conside-
raciones indicadas por Yura (2001) y Ziemian (2010).
En primer lugar se analizarán algunos aspectos bá-
sicos del arriostramiento de columnas, los cuales luego
se extenderán al caso de vigas. Para ello se considera
una columna recta, biarticulada, de longitud 2 Lb, con
una carga de compresión P, la cual presenta un arrios-
tramiento elástico cuya rigidez es L. Se puede demos-
trar que la carga crítica, Pcr, de esta columna ideal de-
pende de la rigidez del arriostramiento, según se indica
en la Figura 2-46.
Fig. 2-46. Efecto de la rigidez del arriostramiento en la
carga crítica de una columna.
Para valores relativamente altos de la rigidez L, el
arriostramiento es totalmente eficiente y la carga crítica
es igual a la carga de Euler Pe = 2
EI / Lb2. Sin, embar-
go, si la rigidez L es menor que un cierto valor límite,
el arriostramiento pierde eficiencia y la carga crítica
disminuye. En el caso límite de que la rigidez tienda a
cero, la carga crítica se reduce cuatro veces, dado que
la longitud de pandeo aumenta al doble. Estos resulta-
dos indican que el arriostramiento debe tener una cierta
rigidez, como mínimo, para ser efectivo. En el caso de
columnas reales, es decir que no son perfectamente
rectilíneas, se puede demostrar que además de la rigi-
dez es necesario que el arriostramiento tenga una resis-
tencia adecuada. Este requerimiento de resistencia
depende de la excentricidad inicial de la columna y de
la relación P/Pe. La resistencia mínima del arriostra-
miento usualmente se expresa como un porcentaje de la
carga crítica Pe. Los valores calculados indican que
dicho porcentaje puede tomar valores relativamente
bajos, del orden del 1 o 2%, pero puede crecer signifi-
cativamente si se incrementa la excentricidad inicial de
la columna o si la carga P se aproxima a la carga críti-
ca.
Para el caso de vigas, se consideró durante mucho
tiempo que las mismas son perfectamente rectas y en
forma aproximada se aplicó la “regla del 2%”, por la
cual se considera que el arriostramiento debe resistir
una fuerza igual al 2% de la carga de compresión
actuante. En la actualidad, este criterio se ha
modificado y las especificaciones AISC incluyen
requerimientos de rigidez y resistencia para el
arriostramiento de vigas, los cuales dependen del tipo
de arriostramiento, según se explica a continuación.
Área-k
Placa con
cortes rec-
tos en las
esquinas
Placa con
cortes cur-
vos en las
esquinas
P
46
Los sistemas de arriostramiento para la estabilidad
de vigas pueden dividirse en dos categorías principales:
arristramiento lateral y torsional (ver Figuras 2.47 y 2-
48). El primer grupo, com su nombre lo indica, impide
el desplamiento lateral y su efectividad se mide por la
capacidad de restringir el giro de la sección transversal
de la viga. La mayor efectividad se logra arriostrando
el ala comprimida, por ejemplo mediante un conjunto
de barras diagonales dispuestas en un plano horizontal;
en el caso de una viga simplemente apoyada conviene
arriostrar el ala superior.
Los arriostramientos torsionales restringen el giro
de la sección en forma directa, por ejemplo, mediante
diafragmas verticales o arriostramientos cruzados
(cross-frame), dispuestos en un plano perpendicular al
eje longitudinal, que vinculan dos vigas entre si. Estos
diafragmas, que conforman con las vigas un pórtico
transversal, se consideran arriostramientos porque
impiden el giro, aún cuando la viga se desplace
lateralmente.
Fig. 2-47. Tipos de arrostramiento para la estabilidad
de vigas.
Arriostramientos laterales
Relativos
Nodales o discretos
Continuos
De apoyo o lean-on
Arriostramientos torsionales
Nodales o discretos
Continuos
Fig. 2-48. Clasificación de los arriostramientos.
Los arriostramientos laterales, a su vez, se pueden
subdividir en cuatro tipos: relativo, nodal o discreto,
continuo y de apoyo o lean-on. Los arriostramientos
relativos controlan los desplazamientos laterales relati-
vos mediante un sistema de riostras dispuesto de modo
tal que si se realiza un corte transversal en cualquier
punto a lo largo de la viga siempre pasa a través de al
menos una de estas riostras.
Los arriostramientos laterales nodales (discretos)
emplean riostras que pueden representarse mediante un
resorte lateral, por ejemplo cuando se usan cables to-
mados al ala superior de las vigas como arriostramiento
temporario durante el montaje. Los arriostramientos
laterales continuos representan el caso de una losa
vinculada mediante conectores al ala superior de las
vigas. Finalmente, los arriostramientos laterales de
apoyo, o lean-on, utilizan puntales o bielas para vincu-
lar las vigas a otras que están arriostradas mediante
otro sistema, como se indica en la Figura 2-49. La
principal ventaja de este tipo de arriostramiento es que
permite reducir los costos, por ejemplo en el caso de
puentes formados por muchas vigas dispuestas en for-
ma paralela para formar el tablero del mismo.
Fig. 2-49. Arrostramiento tipo “lean-on, donde los
puntales se apoyan en un arriostramiento torsional.
El reglamento ANSI/AISC 360-10, en el Apéndice
6, solo considera el caso de arriostramientos lateral
relativo y nodal, para los cuales se indican los valores
de resistencia requerida, Pbr, y rigidez mínima, br. Para
arriostramiento lateral relativo:
o
dr
brh
CMP
008.0 (2-12)
ob
r
brhL
M
C 4 d
(2-13)
donde Mr es la resistencia requerida a flexión, ho es la
distancia entre los centros de gravedad de las alas del
perfil y Lb es la longitud no arriostrada lateralmente. En
general, y salvo que se indique lo contrario, puede
considerarse que Mr = Ry Fy Z / ho. El coeficiente Cd
adopta valores Cd = 1.0, en general, o Cd = 2.0 para el
caso del arriostramiento más cercano al punto de infle-
xión en una viga solicitada a flexión en doble curvatu-
ra. En el caso de arriostramiento lateral nodal (discre-
to) se requiere:
Arriostramiento lateral
Arriostramiento torsional
Arriostramiento
torsional
Arriostramiento
lean-on
Barras diagonales
47
o
dr
brh
CMP
002.0 (2-14)
ob
r
brhL
M
C 01 d
(2-15)
Fig. 2-50. Vista inferior de un puente carretero con
arriostramientos torsionales.
Los arriostramientos torsionales (como el ejemplo
que muestran en la Figura 2-50) se dividen en discretos
o nodales y continuos, con igual criterio que el indica-
do previamente para los arriostramientos laterales. Para
el primer caso, el reglamento ANSI/AISC 360-10, en el
Apéndice 6, requiere:
bb
rbr
LnC
LMP
024.0 (2-16)
1212
5.13.3
42
-1
33
sec
2
sec
T
sstwo
o
by
rT
Tb
btth
h
E
C n E I
L M.
(2-17)
donde L es la luz de la viga, Cb es un factor de modifi-
cación según la distribución de momentos, n es el nú-
mero de puntos arriostrados nodalmente, T es la rigi-
dez del arriostramiento excluyendo la distorsión del
alma y sec es la rigidez distorsional del alma, inclu-
yendo el efecto de rigidizadores si los hay. Si sec < T
la rigidez requerida es negativa, según la Ecuación 2-
17, lo cual indica que el arriostramiento no será efecti-
vo debido a que la rigidez distorsional del alma es
inadecuada. Para el caso de arriostramientos torsionales
continuos las Ecuaciones 2-16 y 2-17 son aplicables
con las siguientes modificaciones:
L/n = 1.0
o
w
h
Et
12
3.3 3
sec
y Lb se adopta como la máxima longitud no arriostrada
permitida para la viga basada en la resistencia requeri-
da a flexión Mr.
Por las características propias de cada sistema, se
recomienda usar los arriostramientos torsionales en
caso de vigas con carga axial nula o muy reducida. En
los casos de vigas axialmente comprimidas es conve-
niente usar arriostramientos laterales o bien una com-
binación de ambos.
2.8.6 Conexiones compuestas y anclajes de acero
El diseño de las conexiones compuestas, al igual que
en el caso de las conexiones de acero, representa un
aspecto de fundamental importancia para lograr una
solución adecuada estructuralmente y conveniente
desde el punto de vista constructivo y económico. Al-
gunas de las ventajas de este tipo de conexiones son
que permite, usualmente, reducir el uso de soldadura en
obra (en comparación con las conexiones de acero) y
evitar o minimizar los problemas asociados al anclaje y
empalme de barras de refuerzo (en comparación con
los nudos de estructuras de hormigón armado).
La combinación de distintos materiales y miembros
estructurales, propios de la construcción compuesta,
resulta en numerosas alternativas para las conexiones,
razón por la cual no se dispone de detalles estandariza-
dos. No obstante ello, el reglamento ANSI/AISC 341-
10 incluye pautas generales de diseño en la Sección
D2.7. En los comentarios de dicho reglamento se indi-
ca que, en las construcciones compuestas construidas
hasta la fecha, los ingenieros estructurales han diseña-
do las conexiones a partir de principios básicos de
mecánica, condiciones de equilibrio, requerimientos
existentes para estructuras de acero y hormigón arma-
do, resultados experimentales y buen criterio.
Las fuerzas que se generan en los miembros com-
puestos, entre el acero estructural y el hormigón, deben
transferirse mediante alguno de los siguientes meca-
nismos:
Aplastamiento por contacto directo entre el acero y
el hormigón.
Conectores de corte.
Transferencia de corte por fricción, para lo cual
debe asegurarse el desarrollo de fuerzas de anclaje
(clamping forces) mediante refuerzo normal al
plano de corte.
Una combinación de los mecanismos anteriores,
siempre y cuando la rigidez y capacidad de defor-
mación propia de cada uno de ellos lo permita.
La evaluación de la resistencia por aplastamiento y
corte por fricción debe realizarse de acuerdo con el
reglamento ACI-318, Capítulos 10 y 11.
La adherencia entre acero estructural y hormigón
no puedo considerarse como un mecanismo válido de
transferencia. Ello se debe a que este mecanismo no es
efectivo para resistir cíclicas o dinámicas en rango
inelástico y, además, la resistencia por adherencia es
48
altamente variable, dependiendo de las condiciones de
la superficie, retracción del hormigón, etc.
La resistencia nominal a corte de la zona panel de la
conexión, en el caso de que esté embebida en hormi-
gón, se determina como la suma de las resistencias
nominales del acero estructural y del hormigón armado
confinado.
Adicionalmente a estos criterios generales, el re-
glamento indica otros requerimientos que deben cum-
plir las conexiones compuestas. Así por ejemplo, es
necesario disponer de placas laterales de apoyo (face
bearing plates) entre las alas de la viga y a cada costa-
do del alma, ver Figura 2-51. Estas placas no solo
cumplen una función estructural, sino que sirven tam-
bién como elementos de cierre, para permitir un ade-
cuado colado del hormigón, cuando la viga se conecta
con miembros compuestos embebidos o de hormigón
armado.
Fig. 2-51. Conexión de una columna de hormigón
armado con una viga de acero que atraviesa el nudo.
El hormigón debe reforzarse con armaduras longi-
tudinales y transversales, cumpliendo con los requeri-
mientos de anclaje y longitudes de empalme necesarios
para estar armaduras (según reglamento ACI-318). La
función de las armaduras es resistir las tensiones de
tracción y proporcionar confinamiento al hormigón en
la zona de la conexión. Es importante controlar el posi-
ble deslizamiento de las barras de refuerzo en la zona
del nudo, para lo cual se aplican los criterios usuales
del diseño de hormigón armado (como por ejemplo,
limitar el diámetro de las barras longitudinales).
La necesidad de que las conexiones dispongan de
capacidad de deformación es aplicable tanto a las dise-
ñadas para resistir cargas gravitatorias como para aque-
llas que forman parte del sistema sismorresistente. En
el caso de conexiones diseñadas para cargas gravitato-
rias, si bien no forman parte del sistema sismorresisten-
te, se requiere cierta capacidad de rotación para evitar
fallas. Así por ejemplo, la Figura 2-52 muestra la cone-
xión de una viga de acero con un muro de hormigón
armado mediante una placa conectada con pernos al
alma de la viga y soldada a otra placa anclada en la
cara lateral del muro. Esta conexión debe diseñarse
para transferir la fuerza de corte del extremo de la viga
bajo la acción de rotaciones o momentos generados por
la deformación de la estructura ante la acción sísmica.
Fig. 2-52. Conexión de una viga de acero con un muro
de hormigón armado.
En el Capítulo 8 se presentan los criterios y aspec-
tos principales del diseño de estructuras compuestas
sismorresistentes y se incluyen ejemplos de algunas
conexiones típicas.
Los anclajes de acero, en sus distintos tipos, son
elementos de aplicación usual en las conexiones com-
puestas. Se dispone de evidencia experimental que
indica que la resistencia y rigidez de los anclajes dis-
minuye bajo la acción de cargas cíclicas, como el sis-
mo. Esta degradación resulta particularmente seria en
el caso de anclajes sometidos a la acción combinada de
fuerzas de corte y tracción. Es por ello que, en forma
conservativa, el reglamento ANSI/AISC 341-10 re-
quiere una reducción del 25% de la resistencia nominal
a corte y tracción en anclajes (pernos y barras soldadas)
en los que se espera el desarrollo de la fluencia.
2.9 REHABILITACIÓN SÍSMICA DE CONS-
TRUCCIONES EXISTENTES
2.9.1 Aspectos generales
En la actualidad, una cantidad significativa de edificios
ubicados en zonas de actividad sísmica en todo el
mundo no cumplen con los requerimientos de diseño
sismorresistente que exigen los códigos modernos, de
Refuerzo longitudinal
Placa lateral
ColumnaViga deacero
PLANTA
VISTA LATERAL
Armadura de
refuerzo
Viga de
acero
Muro
49
modo que son vulnerables y podrían resultar dañados
ante la acción de un terremoto. Este problema se puso
en evidencia en el terremoto de San Fernando, USA, en
1971, por lo que se iniciaron tareas de investigación
para identificar y mitigar el riesgo sísmico (Moehle,
2000). Estas tareas continuaron, y se extendieron a
otros países, lo que permitió que en la década de 1990
se dispusiera de criterios y procedimientos confiables
para la rehabilitación. Una edición especial de
Earthquake Spectra (Earthquake Engineering Research
Institute, editada por Jirsa, 1996), muestra claramente
los avances logrados en la investigación sobre repara-
ción y rehabilitación de distintos tipos de estructuras.
Para ello se deben fijar objetivos a cumplir y, a par-
tir de las deficiencias detectadas en los estudios de
evaluación, se adoptan medidas o estrategias de rehabi-
litación. De esta forma es factible modificar favora-
blemente propiedades del sistema estructural tales
como resistencia, ductilidad, rigidez, redundancia,
regularidad estructural, etc. En la Figura 2-53 se pre-
sentan, en forma esquemática y resumida, los pasos del
proceso de rehabilitación. Es importante aclarar que,
por la complejidad del proceso y las particularidades de
cada caso, estos pasos son indicativos y representan el
proceso a seguir en las situaciones usuales.
Fig. 2-53. Esquema del proceso de rehabilitación sís-
mica.
Distintas organizaciones internacionales han edita-
do documentos o reglamentos vinculados a la rehabili-
tación sísmica, como Federal Emergency Managment
Agency (FEMA, 2000h; FEMA, 2006; FEMA, 2009),
American Society of Civil Engineerns (ASCE, 2006) y
New Zealand Society for Earthquake Egnieering
(NZSEE, 2006).
Se acepta generalmente que la denominación "reha-
bilitación sísmica" se aplica en los casos de construc-
ciones existentes que no cumplen con los criterios
modernos de seguridad o desempeño, de modo que se
implementan mejoras en forma preventiva (en la bi-
bliografía en inglés, que constituye la referencia princi-
pal sobre el tema, se emplean los términos retrofit,
rehabilitation, upgrade o improvement). En los casos
en que la estructura ha sido dañada por un sismo, y su
seguridad se ve comprometida, se usa normalmente el
término "reparación" para designar el proceso destina-
do a recuperar un cierto nivel de seguridad. Si bien
ambos procesos comparten muchos aspectos en común,
cada uno presenta particularidades y diferencias que
deben ser consideradas en particular.
Finalmente, es importante destacar que si bien el
proceso de rehabilitación se basa principalmente en
aspectos estructurales, existen otros factores que
usualmente condicionan el proyecto y deben conside-
rarse con especial cuidado, tales como costo de la reha-
bilitación, limitaciones funcionales y estéticas, proce-
dimiento constructivo, interrupción de la ocupación del
edificio, interferencia con instalaciones, etc.
2.9.2 Estrategias de rehabilitación
Las estrategias de rehabilitación permiten alcanzar los
objetivos adoptados, solucionando las deficiencias
detectadas en la evaluación estructural. Estas estrate-
gias o medidas de rehabilitación pueden agruparse en
las siguientes categorías (según los criterios adoptados
en el documento FEMA 356, 2000):
Modificación local de componentes estructura-
les: esta categoría comprende la realización de mo-
dificaciones locales en elementos estructurales para
mejorar las conexiones o incrementar la resistencia
y/o capacidad de deformación, sin afectar la confi-
guración global de la estructura. Para lograr estos
objetivos se han desarrollado numerosas soluciones,
de acuerdo al material estructural y al tipo de ele-
mentos. A modo de ejemplo pueden mencionarse el
uso de placas de acero para el confinamiento de co-
lumnas, el encamisado o recrecimiento de elemen-
tos de hormigón armado o el uso de materiales
compuestos (como polímeros reforzados con fibras)
que se adhieren a la estructura existente.
Refuerzo global de la estructura: cuando la res-
puesta inelástica global de la estructura se inicia a
niveles de resistencia significativamente menores
que el nivel de diseño adoptado para la rehabilita-
ción es necesario incrementar la resistencia de todo
el sistema estructural. Para ello pueden reforzarse
los elementos existentes (con los métodos descrip-
tos para el caso de modificación local de compo-
nentes estructurales) o bien incorporar nuevos ele-
mentos estructurales. En este último caso es muy
importante evaluar adecuadamente la interacción
entre el sistema estructural existente y los nuevos
componentes para evitar problemas que podría sur-
gir por incompatibilidad o diferencias de compor-
50
tamiento entre ambos.
Eliminación o reducción de irregularidades exis-
tentes: esta estrategia de rehabilitación es efectiva
en aquellos casos en que el proceso de evaluación y
análisis, mediante la observación de los perfiles de
desplazamiento y las demandas de deformación
inelástica, indican que la presencia de irregularida-
des de masa, rigidez y/o resistencia afectan signifi-
cativamente la respuesta de la estructura. Frecuen-
temente, estas irregularidades surgen por disconti-
nuidades en la estructura que pueden corregirse, por
ejemplo mediante la incorporación de riostras de
acero o tabiques de hormigón armado en lugares
adecuadamente seleccionados. En otras situaciones
es difícil eliminar dichas discontinuidades, como
ocurre en el caso de construcciones patrimoniales
con valor histórico, y deben buscarse otras alterna-
tivas para la rehabilitación.
Rigidización global de la estructura: esta solución
es aplicable cuando las deficiencias se originan en
desplazamientos laterales excesivos y los compo-
nentes críticos no disponen de adecuada ductilidad
para resistir las deformaciones así originadas. En
estos casos es conveniente modificar el sistema es-
tructural incorporando elementos que incrementen
la rigidez lateral, como riostras o tabiques de distin-
tos materiales.
Reducción de masas: las fuerzas de inercia que el
sismo genera sobre la estructura son directamente
proporcionales a la masa, de modo que la reducción
de ésta, en aquellos casos que es posible, es una al-
ternativa para disminuir la demanda de resistencia y
desplazamientos. Es decir que representa un forma
de indirecta de reforzar y rigidizar la estructura.
Ello puede ser posible eliminando elementos exis-
tentes pesados (particiones internas, contrapisos y
pisos, revestimientos de piedras, equipamiento,
etc.) y, eventualmente, reemplazándolos por otros
más livianos.
Aislamiento sísmico: la incorporación de aislado-
res, usualmente en las bases de la construcción,
permite modificar favorablemente las propiedades
dinámicas de la estructura. De esta forma se logra
un aumento del periodo de vibración con lo cual se
reduce significativamente la demanda en términos
de aceleración. Esta técnica es más efectiva para el
caso de edificios rígidos (periodos de vibración ba-
jos a medianos) y con relaciones alto-anchura rela-
tivamente bajas. Se ha utilizado en países como Es-
tados Unidos, Japón y Nueva Zelandia para la reha-
bilitación de edificios históricos, en los cuales el al-
to valor patrimonial de las construcciones justifica
los altos costos de este proceso de rehabilitación.
Incorporación de disipadores de energía: estos
dispositivos se incorporan a la estructura como
nuevos componentes y permiten disipar energía a
través de procesos friccionales, histeréticos o vis-
coelásticos, con lo cual se logra una reducción de la
demanda en términos de desplazamientos y de ace-
leraciones. Usualmente los disipadores se vinculan
a la estructura principal a través de riostras, por lo
cual también se incrementa la rigidez lateral, y disi-
pan energía a medida que el sistema se deforma.
Este sistema, en general, es más efectivo para es-
tructuras flexibles que presentan cierta capacidad de
deformación inelástica. En muchos casos es conve-
niente combinar el aislamiento sísmico con disipa-
dores de energía para reducir la demanda de despla-
zamiento en los aisladores. En este grupo también
se incluyen los disipadores de masa sintonizada
(que es un tipo de disipador activado por movi-
miento), el cual ha sido aplicado exitosamente para
reducir el efecto de la acción del sismo y del viento.
2.9.3 Rehabilitación de estructuras de acero
En el caso particular de construcciones de acero, los
pórticos no arriostrados construidos hasta mediados de
la década de 1990 representan, en general, la mayor
amenaza. Ello se debe, principalmente, a los problemas
en el diseño y construcción de los nudos viga-columna,
que a la luz de los conocimientos actuales, no cumplen
con los requerimientos de seguridad estructural exigi-
dos para las construcciones nuevas. Otro problema
usual es la inadecuada resistencia de las columnas que
no se ajustan al concepto de diseño “viga débil-
columna fuerte”.
Los pórticos arriostrados concéntricamente también
pueden presentar distintos problemas, siendo los más
usuales las deficiencias en las conexiones de las rios-
tras, o inadecuada resistencia para resistir el pandeo
global o local.
El estudio detallado del proceso de evaluación y
rehabilitación de estructuras escapa del alcance del
presente trabajo. Los temas específicos para las cons-
trucciones de acero se presentan en los documentos
FEMA-351, Recommended Seismic Evaluation and
Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-
Frame Building, FEMA-352. Recommended Pos-
tearthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded
Steel Moment-Frame Buildings y Steel Design Guide
12: Modification of Existing welded Steel Moment
Frame Connections for Seismic Resistance (Gross et
al., 1999), entre otros.
51
Capítulo 3
Pórticos no arriostrados
3.1 INTRODUCCIÓN
Los pórticos no arriostrados, o pórticos a momentos,
están formados por distintos componentes que se vin-
culan entre sí para formar una estructura resistente;
usualmente los componentes principales son rectilíneos
y se disponen en posición vertical (columnas) y hori-
zontal (vigas). Desde el punto de vista estructural, y a
los efectos del diseño, se deben considerar los siguien-
tes componentes (ver Figura 3-1):
vigas
columnas
conexiones viga-columnas
panel nodal (o zona panel)
empalmes
base de columnas
(a)
(b)
Fig. 3-1. Componentes estructurales de un pórtico no
arriostrado, (a) vista general y (b) detalle de una co-
nexión viga- columna (http://ceephotos.karcor.com)
La Figura 3-1 muestra el esquema constructivo más
usual para edificios, en el cual las columnas son conti-
nuas en la zona de los nudos, con empalmes ubicados
en la zona central de las mismas. Las vigas se vinculan
a las columnas en la etapa de montaje mediante las
conexiones correspondientes, que representan uno de
los componentes más importantes del sistema para
asegurar una respuesta dúctil y estable. También se ha
desarrollado e implementado un esquema constructivo,
denominado pórticos con columna-árbol (column-tree
frames, en inglés) en el que las columnas se fabrican en
taller con tramos de vigas ya vinculados, y luego en
obra se conectan los componentes entre sí para formar
el pórtico con empalmes en vigas y columnas (zonas
donde las solicitaciones por sismo son mínimas). De
esta forma se logra que el nudo viga-columna se cons-
truya enteramente en taller bajo condiciones óptimas de
trabajo, lo cual es muy importante para el caso de
uniones soldadas.
3.1.1 Comportamiento estructural
Las distintas cargas que actúan sobre los pórticos no
arriostrados inducen esfuerzos internos, controlando el
diseño los momentos flectores. Para el caso particular
de la acción sísmica (ver Figura 3-2) los momentos
flectores desarrollan sus valores máximos en los ex-
tremos de vigas y columnas, donde pueden formarse
rótulas plásticas para permitir la disipación de energía
por fluencia del acero.
(a) (b)
Fig. 3-2. Diagramas típicos de (a) momentos flectores
y (b) esfuerzos de corte en un pórtico sometido a la
acción sísmica.
Consideraciones analíticas y experimentales indican
que se puede lograr una excelente respuesta estructural
si se induce, a través del diseño, la formación de un
mecanismo de “viga débil-columna fuerte”. En este
mecanismo, las rótulas plásticas se forman en los ex-
tremos de las vigas, mientras las columnas permanecen
viga
columna
Conexión viga-
columna
Panel nodal
base columna
empalme
52
en rango elástico (con excepción de la base de las co-
lumnas), como se ilustra en la Figura 3-3(a). Las co-
lumnas están sometidas a carga axial variable por el
efecto del sismo, lo cual afecta la resistencia y ductili-
dad de las mismas; además, la falla de una columna
puede originar colapso parcial o total del edificio,
mientras que la misma falla en un viga presenta efectos
menos significativos. Estas son las razones principales
por las que se protegen las columnas del pórtico, me-
diante la condición de que las mismas se mantengan en
rango elástico. Para lograr este objetivo es de funda-
mental importancia aplicar los conceptos del diseño por
capacidad de modo de obtener una respuesta dúctil,
donde la plastificación de las vigas se produce en for-
ma progresiva y el sistema es capaz de desarrollar una
respuesta dúctil, ver Figura 3-3(b).
Fig. 3-3.Comportamiento estructural, (a) mecanismo
de deformación plástica y (b) respuesta corte basal-
desplazamiento lateral.
Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 definen
tres tipos de pórticos no arriostrados: especiales (SMF),
intermedios (IMF) y ordinarios (OMF), de acuerdo al
grado de comportamiento dúctil que se considera en el
diseño. La diferencia fundamental entre ellos es que se
diseñan con distintos niveles de capacidad de rotación
inelástica en las rótulas plásticas. En las secciones
siguientes se presentan los principales aspectos vincu-
lados al diseño de las tres categorías de pórticos no
arriostrados. No se incluyen los pórticos no arriostra-
dos con vigas reticuladas (ver Sección 2.7.1) por tratar-
se de un tipo estructural muy particular, con aplicación
limitada a casos especiales.
3.1.2 Conexiones viga-columna. Conexiones preca-
lificadas
Las conexiones de los pórticos no arriostrados influyen
significativamente en el comportamiento estructural de
los mismos. Estas conexiones, en general pueden clasi-
ficarse en tres grupos, según su rigidez flexional. El
primer grupo está constituido por las conexiones total-
mente restringidas (FR, siglas por la denominación en
inglés fully restrained), que son aquellas capaces de
transferir momento flector con una rotación relativa
despreciable. Usualmente se considera que esta situa-
ción requiere que la rigidez flexional de la conexión
sea igual o mayor que 20 veces la rigidez de la viga,
EI/L. Las conexiones parcialmente restringidas (PR,
partially restrained) son capaces de transferir momen-
to, pero en este caso la rotación no es despreciable.
Esta condición se presenta con conexiones cuya rigidez
flexional está comprendida entre 20 y 2 veces la rigidez
EI/L de la viga. Si la rigidez de la conexión es menor
se asume que la misma es equivalente a una articula-
ción, de modo que su capacidad de transferir momentos
es despreciable. Estos conceptos se ilustran en la Figu-
ra 3-4 mediante diagramas momento-rotación. Los
pórticos no arriostrados sismorresistentes deben cons-
truirse con conexiones parcial o totalmente restringi-
das.
Fig. 3-4. Diagramas momento-rotación típicos de
conexiones totalmente restringidas, parcialmente res-
tringidas y articuladas.
Con el objeto de evitar las fallas en las conexiones
(a)
(b)
Mo
men
to
53
viga-columna observadas en el terremoto de Northrid-
ge (ocurrido en California, USA, en 1994), las especi-
ficaciones sísmicas vigentes requieren el uso de “cone-
xiones precalificadas” en pórticos no arriostrados sis-
morresistentes. Se entiende como tal aquellas conexio-
nes que han sido validadas en forma experimental, ya
sea como parte del proyecto que se desarrolla o bien en
ensayos previos que se encuentran debidamente docu-
mentados. El proceso de precalificación implica que:
Existe suficiente información experimental y analí-
tica para asegurar que la conexión presenta adecua-
da capacidad de deformación plástica.
Se dispone de modelos racionales para predecir la
resistencia asociada a los distintos modos de falla y
la capacidad de deformación, a partir de las propie-
dades geométricas y mecánicas de los elementos
componentes.
Los datos existentes permiten evaluar estadística-
mente la confiabilidad de la conexión.
Como resultado del proceso de precalificación, el
ingeniero estructural dispone de criterios y pautas para
diseñar la conexión. Adicionalmente, para cada tipo de
conexión se indican el campo de aplicación y limita-
ciones para su uso, tales como dimensiones máximas
de vigas y columnas, tipos de soldaduras, característi-
cas del acero, etc.
3.2 PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS ESPE-
CIALES
3.2.1 Aspectos generales
Los pórticos no arriostrados especiales son lo que pre-
sentan mayor capacidad de disipación de energía y,
acorde a ello, se diseñan con un factor de modificación
de respuesta elevado (R = 8 en los reglamentos norte-
americanos). Se espera que las deformaciones inelásti-
cas se desarrollen principalmente por flexión en las
vigas y, en menor medida, en los paneles nodales de las
columnas.
Las especificaciones sísmicas AISC vigentes, las
cuales se basan en la recomendación FEMA-350 (FE-
MA, 2000a), indican detalladamente las condiciones
que deben cumplir los pórticos especiales. La estructu-
ra debe diseñarse para limitar la distorsión del panel
nodal, evitar la rotulación en columnas y controlar los
efectos de pandeo local. Los extremos de las vigas se
consideran como zonas protegidas. Con estos requisitos
se logra que la estructura desarrolle una respuesta dúc-
til y estable. Las rótulas plásticas deben exhibir una
capacidad de rotación inelástica de 0.03 radianes, como
mínimo, para lo cual se requiere el uso de conexiones
precalificadas.
3.2.2 Conexiones viga-columna
Las conexiones viga-columna de pórticos no arriostra-
dos especiales que forman parte del sistema sismorre-
sistente de una construcción deben cumplir con las
siguientes condiciones:
La conexión debe ser capaz de soportar las rotacio-
nes plásticas correspondientes a un nivel de distor-
sión de piso total de 0.04 radianes. Este nivel de
distorsión es equivalente a una rotación plástica en
las rótulas de 0.03 radianes (considerando que la
distorsión elástica de piso es 0.01 radianes).
La capacidad a flexión de la conexión, medida en la
cara de la columna, debe ser como mínimo 0.8 Mp
de la viga conectada para un nivel de distorsión de
piso de 0.04 radianes (Mp es el momento de plasti-
ficación de la viga calculado con la tensión de
fluencia para el acero especificado).
La resistencia a corte requerida de la conexión debe
determinarse a partir de las combinaciones de car-
gas amplificadas, para lo cual debe considerarse
que el efecto de la acción sísmica amplificada
(Ecuación 2-8b) es:
Emh = 2 (1.1 Ry Mp) / Lh (3-1)
donde Ry es la relación entre la tensión de fluencia
esperada y la tensión mínima de fluencia, Fy, y Lh es
la distancia entre rótulas plásticas en la viga. La
Ecuación 3-1 se deduce a partir de consideraciones
de equilibrio, tomando en cuenta la sobrerresisten-
cia flexional (ver Figura 3-5).
Fig. 3-5. Mecanismo de deformación plástica con rotu-
lación en vigas.
En las conexiones de pórticos especiales deben
considerarse como soldaduras de demanda crítica las
siguientes:
Las soldaduras de ranura o penetración en empal-
mes de columna
Los cordones de soldadura en conexiones del ex-
tremo inferior de la columna a la base.
Los cordones de penetración completa en soldadu-
ras que conectan las alas y alma de la viga a la co-
lumna.
3.2.3 Placas de continuidad
Las placas de continuidad son rigidizadores que se
VE VE
1.1 Ry Mp
54
disponen entre las alas de la columna, en niveles co-
rrespondientes a las alas de las vigas que llegan al
nudo, con el objeto de asegurar una adecuada transfe-
rencia de las cargas de tracción y compresión que gene-
ran sobre la columna y de minimizar la concentración
de tensiones generada por la diferencia de rigidez entre
los elementos de la junta, ver Figuras 3-1(b) y 3-6.
Además, las placas de continuidad sirven como límites
para definir la zona del panel nodal, donde se pueden
desarrollar tensiones y deformaciones elevadas.
Las placas de continuidad deben colocarse en las
conexiones viga-columnas, salvo en los siguientes
casos:
Cuando así se indica en la conexión precalificada.
Cuando la viga se suelda al ala de una columna,
formada por un perfil I de alas anchas o un perfil
armado, con un espesor, tcf, que cumple con las si-
guientes condiciones:
6
1.8 4.0
bfcf
ycyc
ybyb
bfbfcf
bt
yRF
RFtbt
(3-2a)
donde bbf es la anchura del ala de la viga, Fyb y Fyc
representan la tensión de fluencia mínima de viga y
columna, respectivamente, y Ryb y Ryc, representan
la relación entre la tensión de fluencia esperada y la
mínima para la viga y columna, respectivamente.
Cuando la viga se suelda al ala de una columna
formada por perfil I en sección cajón, con un espe-
sor, tcf, que cumple con las siguientes condiciones:
1.8 4
-14.02
ycyc
ybyb
bfbf
bf
cf
cf
bf
cfRF
RFtb
bb
b
bt
(3-2b)
siendo bcf la anchura del ala de la columna.
Fig. 3-6. Detalle de una conexión viga-columna
El espesor de las placas de continuidad debe deter-
minarse según el siguiente criterio:
En nudos exteriores el espesor debe ser como mí-
nimo la mitad del espesor del ala de la viga.
En nudos interiores el espesor de las placas deben
ser como mínimo igual al espesor mayor de las alas
de las vigas que llegan al nudo.
Las placas deben cumplir con los criterios indica-
dos en la Sección J10 de las especificaciones AN-
SI/AISC 360-10, donde se definen las condiciones
de rigidizadores adicionales para cargas concentra-
das.
Las placas de continuidad deben unirse a las alas de
la columna mediante soldadura de penetración comple-
ta (CJP groove welds) y al alma de la columna con
soldadura de ranura o de filete. La resistencia requerida
para estas soldaduras está indicada en la Sección E3.6f
de ANSI/AISC 341-10.
Las recomendaciones FEMA 350 (FEMA, 200a)
indican la importancia de que las conexiones viga-
columna incluyan agujeros de acceso a soldadura,
según el detalle de la Figura 3-7, para los cordones de
soldadura de ranura que conectan el ala de la viga con
el ala de la columna. Los ensayos de laboratorio indi-
can que ésta es una solución adecuada para facilitar el
acceso a la soldadora y minimizar el efecto de concen-
tración de tensiones y deformaciones.
1- Bisel.
2- Mayor que tbf o 13mm.
3- 3/4tbf a tbf (mínimo 19mm).
4- Radio mínimo 10mm.
5- 3 tbf.
Fig. 3-7. Detalle de agujero para acceso de soldadura
(FEMA, 2000a).
3.2.4 Panel nodal
La zona nodal de las conexiones viga-columna es un
componente flexible de los pórticos no arriostrados, y
geométricamente se define como la región comprendi-
da entre las alas de vigas y columnas. El panel nodal
está sometido a elevadas solicitaciones que puede oca-
sionar deformaciones excesivas sino se diseñan ade-
cuadamente, como se muestra en la Figura 3-8.
Panel nodal
Placa de continuidad
Viga
Columna
12
y
bfcf
bt
55
Fig. 3-8. Deformación del panel nodal por acción del
sismo (Midorikawa et al., 2012).
Las especificaciones sísmicas vigentes requieren de
la consideración de las deformaciones del panel nodal y
plantean verificaciones de la resistencia del mismo, sin
embargo los modelos de análisis usualmente no inclu-
yen una representación explícita de dicha zona. Los
modelos de barra que se emplean normalmente en el
análisis de pórticos no arriostrados (ver Figura 3-9)
permiten determinar las solicitaciones en vigas y co-
lumnas pero no definen las solicitaciones en el panel
nodal.
Fig. 3-9. Solicitaciones en componentes adyacentes a
un nudo viga-columna por acción sísmica, (a) momen-
tos flectores y (b) esfuerzos de corte.
Para analizar en detalle el estado tensional en la zo-
na del panel nodal es necesario formular modelos más
refinados empleando, por ejemplo, elementos finitos bi
o tri-dimensionales. En la Figura 3-10 se muestran las
tensiones de corte obtenidas por la aplicación de dicho
procedimiento. La escala de colores indica un significa-
tivo incremento de las tensiones de corte en la zona
central del panel nodal. Sin embargo, es importante
aclarar que en la práctica profesional los ingenieros
estructurales raramente aplican modelos refinados
(como el de la Figura 3-10) para estructuras completas,
por el costo computacional que ello implica y por la
complicación en la entrada de datos para definir el
modelo y en la interpretación de resultados.
Fig. 3-10. Tensiones de corte en un nudo viga-columna
modelado mediante elementos finitos bidimensionales.
Los esfuerzos internos en el panel nodal pueden de-
terminarse, en forma más simple, mediante el diagrama
de cuerpo libre indicado en la Figura 3-11, donde se
ponen de manifiesto los esfuerzos de corte, cargas
axiales y momentos flectores actuantes en las caras del
panel. El efecto de la flexión puede representarse me-
diante fuerzas equivalentes, que se obtienen conside-
rando que el momento flector resulta de una cupla
formada por dos fuerzas axiales iguales y opuestas
actuando en las alas del perfil. En la Figura 3-12 se
indican las variables geométricas que definen el panel
nodal y los elementos adyacentes.
A partir de consideraciones de equilibrio entre las
fuerzas indicadas en el diagrama de cuerpo libre se
puede determinar la resistencia requerida a corte en el
panel nodal (Naeim, F., 2001):
c
fbfb
p Vtd
M
td
MV
)()( 22
2
11
1 (3-3)
donde Vc es el esfuerzo de corte en la columna ubicada
por encima del nudo, db1 y db2 representan la altura
56
total de las vigas que llegan al nudo y M1 y M2 los
momentos flectores en los extremos de dichas vigas
Fig. 3-11. Esfuerzos en el panel nodal, (a)M, N y V, y
(b) esfuerzos donde los momentos han sido reemplaza-
dos por cuplas equivalentes.
Fig. 3-12. Geometría de la conexión viga-columna.
Desde el punto de vista práctico, la Ecuación 3-3
puede simplificarse ignorando el corte Vc debido a que
disminuye la fuerza requerida en el panel y es despre-
ciable frente a los otros términos. Además, en los casos
usuales ambas vigas son iguales, de modo que:
)( fb
ptd
MV
(3-4)
donde ΣM = M1+M2 es el momento total en la vigas.
Hasta la década de 1990 los nudos se diseñaban pa-
ra permanecer en rango elástico de modo que se adop-
taba M1 = M2 = Mp, con el objeto de obtener “paneles
fuertes” y concentrar las deformaciones plásticas en las
rótulas de vigas. Estudios experimentales posteriores
mostraron que la fluencia controlada en el panel nodal
puede disipar energía en forma adecuada. Sin embargo,
se ha comprobado que la fluencia del panel disminuye
el factor de sobrerresistencia Ωo en comparación con
pórticos que presentan nudos con paneles fuertes.
Además, la rigidez lateral se reduce significativamente
por la deformabilidad del panel nodal y no puede cal-
cularse en forma precisa si se emplean modelos basa-
dos en elementos de barras con nudos rígidos.
Actualmente, las especificaciones AISC indican
que la resistencia a corte requerida en el panel, como
mínimo, debe determinarse a partir de la suma de los
momentos en las caras de la columna, considerando la
proyección de los momentos plásticos esperados res-
pecto de las caras de las columnas. Es decir, que al
aplicar la Ecuación 3.4 debe considerarse ΣM=ΣMp,exp,
donde Mp,exp= Ry Mp. Las especificaciones ANSI/AISC
358-10 (AISC, 2010c) indican que debe incluirse tam-
bién un factor Cpr, el cual considera el endurecimiento
por deformación y otros aspectos propios del tipo de
conexión, de modo que Mp,exp= Cpr Ry Mp. Mediante la
aplicación de este criterio se busca controlar los pro-
blemas de inestabilidad y otro efectos negativos por
deformación plástica excesiva del panel nodal (ver
Figura 3.13). El factor Cpr no debe ser, en general,
mayor que 1.20 y usualmente se adopta igual a 1.15.
No obstante, pueden presentarse excepciones para
alguna conexión en particular y, por lo tanto, deben
adoptarse los valores que se surgen del proceso de
precalificación.
Fig. 3-13. Deformación del panel nodal y los efectos
(a)
(b)
V1
M1
V2
M2
V3 = Vc
M3
P3
V4
M4
P4
V1V2
M3 / 0.95 dc3
P3
V4
P4
M3 / 0.95 dc3
M1 / 0.95 dc1
M1 / 0.95 dc1
M2 / 0.95 dc2
M2 / 0.95 dc2
M4 / 0.95 dc4M4 / 0.95 dc4
V3 = Vc
Corte A-AVista lateral
A
A
57
por deformación excesiva (INPRES-CIRSOC, 2000).
La resistencia de diseño, φv Vn, donde φv =1.0, debe
ser mayor que la resistencia requerida, para el caso del
método LRFD. Es importante notar que en este caso se
asume que el factor de resistencia es igual a 1.0 debido
a que la resistencia requerida se determina a partir de
conceptos del diseño por capacidad. La resistencia
nominal del panel nodal sometido a corte, Vn, puede
determinarse a partir de las siguientes expresiones
(AISC 2010b):
a. Cuando el efecto de la deformación del panel
no es considerado en el análisis de la estabilidad
del pórtico:
Si Pr ≤ 0.4 Pc :
pcyn tdFV 60.0 (3-5a)
Si Pr > 0.4 Pc:
y
u
P
P4.1 60.0 pcyn tdFV (3-5b)
b. Cuando la estabilidad del pórtico y el efecto
de la deformación plástica del panel nodal son con-
siderados en el análisis (Krawinkler et al., 1975):
Si Pr ≤ 0.75 Pc:
pcb
cfcf
pcyntdd
tbtdFV
31 60.0
2
(3-5c)
Si Pr > 0.75 Pc:
y
u
2
P
P 1.29.1
31 60.0
pcb
cfcf
pcyntdd
tbtdFV
(3-5d)
donde 0.6Fy representa la tensión de fluencia por corte,
Pr es la carga axial requerida, Pc = 0.6 Py =0.6 Fy Ag, tp
es el espesor total del panel nodal, incluyendo placas
de refuerzo (caso contrario tp=tcw) y los restantes pará-
metros geométricos se definen en la Figura 3-12. Las
Ecuaciones 3-5 representan la resistencia nominal a
corte, mediante la consideración de la fluencia del alma
(representada por el área dc tp) más la contribución de
las alas de las columnas, asumiendo comportamiento
elástico.
Para incrementar la resistencia a corte se pueden
disponer placas de refuerzo (doubler plates) con lo cual
se incrementa tp y por ende la resistencia nominal.
Como se indica en la Figura 3-14, se pueden colocar
una o dos placas mediante soldaduras de penetración
completa o de filete. Es importante destacar que el
detalle de la Figura 3-14(c) evita realizar soldaduras en
las áreas-k, con las ventajas que ello implica (ver Sec-
ción 2.8.4).
Finalmente, es necesario verificar que el espesor
mínimo de las placas que componen el panel nodal, t,
cumpla con la condición indicada por la Ecuación 3.6
para prevenir el pandeo local:
90
zz wdt
(3-6)
En esta ecuación empírica dz y wz representan las di-
mensiones del panel nodal, como se ilustra en la Figura
3-12.
Fig. 3-14. Placas nodales de refuerzo con soldadura de
penetración completa o soldadura de filete.
En el caso de que se usen placas de refuerzo en el
panel unidas al alma de la columna mediante soldadura
de tapón se podrá considerar el espesor total (t = tp)
para verificar la Ecuación 3-6. Se recomienda colocar
las soldaduras de tapón de modo de dividir la placa en
paneles rectangulares que cumplen con la Ecuación 3-
6. Si bien podría considerarse que el uso de rigidizado-
res diagonales representa una solución válida para
reforzar y restringir las deformaciones en el panel no-
dal, esta alternativa no ha sido completamente validada
en forma experimental, de modo que no se incluye en
las especificaciones AISC.
3.2.5 Requerimientos para vigas y columnas. Rela-
ción anchura-espesor
Las vigas y columnas de pórticos especiales deben
verificar las condiciones establecidas para miembros de
alta ductilidad. De modo que las secciones de los
miembros de estos pórticos deben cumplir con las
relaciones anchura-espesor límite indicadas en la Tabla
D1.1 de ANSI/AISCE 341-10 para controlar los pro-
blemas de pandeo local. Estos valores límites se en-
cuentran tabulados para elementos rigidizados y no
rigidizados, considerando además el tipo se solicitación
actuante en los elementos. Para el caso de secciones I
de acero tipo ASTM A-36, los valores límites implican
58
que la relación anchura-espesor para el ala debe ser
menor que 8.5 y para el alma menor que 89.1 a 42.3,
según sea el valor de la carga axial de compresión (ver
Sección 1.4.3 de este texto).
Las vigas de los pórticos especiales pueden diseñar-
se como miembros compuestos en combinación con
una losa de hormigón armado para resistir cargas gravi-
tatorias.
Los extremos de las vigas, donde se espera la for-
mación de rótulas plásticas, deben tratarse como zonas
protegidas. La longitud de dichas zonas se define a
partir de lo indicado por el reglamento ANSI/AISC
358-10 o según lo indicado en la precalificación de la
conexión. Usualmente, la longitud de la zona protegida
se extiende desde la cara de la columna hasta una dis-
tancia igual a la mitad de la altura de la sección medida
a partir del punto de la rótula plástica.
3.2.6 Relación entre la resistencia flexional de
columnas y vigas
A los efectos de asegurar el mecanismo de viga débil-
columna fuerte en el diseño de los pórticos especiales,
se debe cumplir con la siguiente relación, basada en
conceptos del diseño por capacidad:
0.1*
*
pb
pc
M
M (3-7)
donde el numerador representa la suma de los momen-
tos plásticos en las columnas por encima y debajo del
nudo, considerando la reducción por efecto de la carga
axial, y el denominador representa la suma de la resis-
tencia flexional esperada en las vigas, proyectada en la
cara de la columna. Los momentos flectores definidos
previamente se determinan como:
)/(*
gucyccpc APFZM (3-8)
uvbybypb MZFRM 1.1* (3-9)
donde Zc y Zb son los módulos plásticos de columna y
viga, respectivamente, Puc es la resistencia requerida a
compresión de la columna y Muv es el momento adi-
cional en la viga debido a la amplificación producida
por corte desde la rótula plástica hasta el eje de la co-
lumna. En los casos en que se usan conexiones con
secciones de viga reducida, se debe considerar en el
cálculo del momento el módulo plástico correspondien-
te a la sección reducida.
La condición de resistencia definida por la Ecua-
ción 3-7 no es aplicable para en los siguientes casos:
Columnas con Pu > 0.3Py en edificios de 1 piso, o
en el piso superior de edificios de varios niveles.
Columnas con Pu > 0.3Py que además cumplen
requisitos especiales de resistencia a corte según se
detalla en la Sección E3.4a de ANSI/AISC 341-10.
Columnas de cualquier piso del edificio donde se
verifica que la relación entre la resistencia a corte
disponible y la resistencia a corte requerida es 50%
mayor que en el piso ubicado por encima.
3.2.7 Restricción lateral en conexiones
Las columnas deben contar con arriostramientos desti-
nados a restringir la rotación fuera del plano del pórti-
co, particularmente cuando se espera que se desarrollen
deformaciones plásticas en el panel nodal o en sus
adyacencias. Se distinguen dos casos:
a. Conexiones arriostradas: los nudos viga-columna
usualmente están restringidos lateralmente por la
presencia de losas, techos o diafragmas horizontales.
Las alas de la columna en los nudos requieren so-
porte lateral sólo a nivel del ala superior de las vigas
en los casos en que las almas de vigas y columna
son coplanares y que las columnas permanecen elás-
ticas fuera del panel nodal. Se considera que se
cumple esta última condición cuando la relación de
resistencia entre columnas y vigas definida por la
Ecuación 3-7 es mayor que 2.0. Recomendaciones
previas indicaban un valor de 1.25 para este límite.
Sin embargo, resultados de análisis nolineales indi-
can que, bajo terremotos severos, se pueden formar
rótulas plásticas en las columnas con valores de la
relación de resistencia superiores a 1.25, razón por
lo cual se aumentó ese límite. Cuando no puede ase-
gurarse que las columnas permanecerán elásticas
fuera del panel nodal, deben restringirse lateralmen-
te las alas de la columna a nivel del ala superior e in-
ferior de las vigas. La restricción lateral se logra
mediante la losa de piso, diafragmas horizontales,
riostras o indirectamente con rigidizadores. Los
elementos usados para restringir lateralmente las co-
lumnas deben diseñarse para resistir una fuerza igual
al 2% de la resistencia del ala de la viga, esto es 0.02
Fy bf tbf.
b. Conexiones no arriostradas: este es un caso poco
frecuente en estructuras de edificios, para el cual se
requiere que la columna tenga una esbeltez L/r<60
y se deben cumplir con condiciones adicionales de
resistencia (según se detalla en la Sección E3.4c de
ANSI/AISC 341-10).
3.2.8 Restricción lateral en vigas
Las alas superior e inferior de las vigas de pórticos
deben arriostrarse lateralmente, o bien la sección trans-
versal deber arriostrarse torsionalmente. La separación
máxima entre puntos de arriostramiento es Lb = 0.086
ry E/Fy, donde ry es el radio de giro de la viga respecto
al eje vertical. Se ha demostrado que esta condición es
suficiente para asegurar que puede desarrollarse una
distorsión de piso de 0.04 rad. Adicionalmente deben
disponerse arriostramientos laterales en zonas de con-
59
centración de esfuerzos, cambios de sección y zonas de
localización de las rótulas plásticas
Los elementos de arriostramiento lateral deben di-
señarse para cumplir con los requerimientos de miem-
bros de alta ductilidad. De modo que deben aplicarse
las condiciones de resistencia y rigidez definidas en el
Apéndice 6 de las especificaciones ANSI/AISC 360-
10, cuyos aspectos principales se presentan en la Sec-
ción 2.8.5 de este texto.
3.3 PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS INTER-
MEDIOS
3.3.1 Aspectos generales
Los pórticos no arriostrados intermedios son los que
presentan capacidad de disipación de energía moderada
y, acorde a ello, se diseñan con un factor de modifica-
ción de respuesta menor que los pórticos especiales
(R=4.5 en los reglamentos norteamericanos). Se espera
que las deformaciones inelásticas se desarrollen princi-
palmente en las vigas.
Las especificaciones sísmicas AISC vigentes indi-
can los requisitos propios que deben cumplir los pórti-
cos intermedios, que en este caso son menos estrictos
que para los pórticos especiales. Se requiere también
del uso de conexiones precalificadas y los extremos de
las vigas se consideran como zonas protegidas.
3.3.2 Conexiones viga-columna
Las conexiones viga-columna de pórticos no arriostra-
dos intermedios que forman parte del sistema sismorre-
sistente de una construcción deben cumplir con las
siguientes condiciones:
La conexión debe ser capaz de soportar las rotacio-
nes plásticas correspondiente a un nivel de distor-
sión de piso total de 0.02 radianes.
La capacidad a flexión de la conexión, medida en la
cara de la columna, debe ser como mínimo 0.8 Mp
de la viga conectada para un nivel de distorsión de
piso de 0.02 radianes.
La resistencia a corte requerida de la conexión, por
efecto sísmico, debe determinarse a partir de la
Ecuación 3.1 (caso de pórticos especiales), sin em-
bargo se permite considerar la resistencia de corte
requerida si se justifica mediante el análisis. La re-
sistencia de corte requerida no debe exceder el es-
fuerzo de corte resultante de aplicar las combina-
ciones especiales de carga usando el efecto sísmico
amplificado (esto es considerando el factor de so-
brerresistencia Ωo).
En las conexiones de pórticos intermedios deben
considerarse como soldaduras de demanda crítica los
mismos casos que los indicados para los pórticos espe-
ciales.
3.3.3 Placas de continuidad
Las placas de continuidad en pórticos no arriostrados
intermedios deben cumplir con las mismas condiciones
que en el caso de pórticos especiales (ver Sección
3.2.3)
3.3.4 Panel nodal
No se requieren verificaciones o criterios adicionales
para los paneles nodales de pórticos intermedios, salvo
lo indicado como en las especificaciones ANSI/AISC
360-10 para edificios comunes.
3.3.5 Relación anchura-espesor para vigas y co-
lumnas
Las vigas y columnas de pórticos intermedios deben
diseñarse con las condiciones establecidas para miem-
bros de ductilidad moderada. De modo que las seccio-
nes deben cumplir con las relaciones anchura-espesor
límite indicadas en la Tabla D1.1 de ANSI/AISCE 341-
10.
3.3.6 Restricción lateral en vigas
Las alas superior e inferior de las vigas de pórticos
deben arriostrarse lateralmente, con una separación
máxima entre puntos de apoyo de Lb = 0.17 ry E/Fy,
donde ry es el radio de giro de la viga respecto al eje
vertical. Esta separación límite es aproximadamente el
doble que la indicada para pórticos especiales. Los
elementos de restricción lateral deben diseñarse para
cumplir con condiciones de resistencia y rigidez defi-
nidas en el Apéndice 6 de ANSI/AISC 360-10. Ade-
más, como miembros con ductilidad moderada, se
requieren que ambas alas estén lateralmente arriostra-
das o que se empleen arriostramientos torsionales.
3.4 PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS ORDINA-
RIOS
3.4.1 Aspectos generales
Los pórticos no arriostrados ordinarios o convenciona-
les se diseñan para desarrollar rotaciones plásticas
limitadas, menores que las esperadas en pórticos espe-
ciales o intermedios. Por esta razón, muchas de las
restricciones y condiciones descriptas previamente no
se aplican a los pórticos ordinarios. El factor de modi-
ficación de respuesta es reducido debido a la menor
capacidad de disipar energía que presenta este tipo de
pórticos. Los reglamentos norteamericanos adoptan
R=3.5.
3.4.2 Conexiones viga-columna
Las conexiones viga-columna deben realizarse con
soldadura o pernos de alta resistencia. Estas conexiones
pueden ser completamente restringidas (fully restrai-
ned, FR) o parcialmente restringidas (partially restrai-
ned, PR). Su diseño se basa en la verificación de resis-
60
tencia mediante procedimientos analíticos y detalles
constructivos indicados en las especificaciones, de
modo que no es necesaria la validación experimental.
Las conexiones totalmente restringidas son aquellas
que pueden transferir el momento flector con una rota-
ción despreciable entre los componentes conectados.
Cuando estas conexiones forman parte del sistema
sismorresistente, se permiten tres alternativas para
determinar la resistencia requerida:
La resistencia requerida a flexión se determina a
partir de la resistencia esperada como 1.1 Ry Mp y
la resistencia requerida a corte se determina según
lo indicado para la Ecuación 3-1, considerando la
luz libre de la viga (Lh = Lcf).
La conexión se diseña para resistir el momento y
corte máximo que el sistema puede transferir a la
conexión, considerando los efectos de la sobrerre-
sistencia del material y el endurecimiento por de-
formación. Existen distintos casos donde la resis-
tencia de las columnas o la resistencia de las funda-
ciones para resistir el momento de vuelco pueden
limitar el momento máximo en las vigas y, conse-
cuentemente, no puede desarrollarse su resistencia
real a flexión.
La conexión se diseña de acuerdo a criterios reque-
ridos para pórticos no arriostrados especiales o in-
termedios, o bien se satisfacen criterios adicionales
indicados en la Sección E1.6b(c) de ANSI/AISC
341-10
Las conexiones parcialmente restringidas son aque-
llas que presentan capacidad para transferir momento
flector, pero se produce una rotación no despreciable
debido a la flexibilidad de los elementos de unión. Este
tipo de conexiones están permitidas en pórticos ordina-
rios si se cumplen los siguientes requisitos:
La conexión debe diseñarse para el máximo mo-
mento y corte resultante de las combinaciones de
carga. Para la resistencia a corte se aplica también
la Ecuación 3-1, considerando la luz libre de la viga
(Lh = Lcf) y que el momento de plastificación es
igual al momento nominal (Mp = Mn).
La resistencia nominal a flexión no debe ser menor
que el 50% del momento de plastificación, Mp, de
la viga o columna conectadas (se considera el valor
menor).
La rigidez y resistencia de la conexión debe ser
considerada en el diseño, incluyendo el análisis de
la estabilidad global del pórtico.
Los cordones de penetración completa en soldadu-
ras que conectan las alas de viga a la columna deben
considerarse como soldaduras de demanda crítica.
3.4.3 Placas de continuidad
Las especificaciones sísmicas indican que en conexio-
nes totalmente restringidas, en las que las alas de las
vigas se sueldan directamente o mediante placas de
conexión a las alas de las columnas, se deben disponer
placas de continuidad si se cumple que :
6
o
54.0
bfcf
yc
yb
bfbfcf
bt
F
Ftbt
(3-12)
El espesor de las placas de continuidad debe determi-
narse según el siguiente criterio:
En nudos exteriores el espesor debe ser como mí-
nimo la mitad del espesor del ala de la viga.
En nudos interiores el espesor de las placas deber
ser como mínimo igual al espesor mayor de las alas
de las vigas que llegan al nudo.
3.5 COMPARACIÓN DE LOS REQUERIMIEN-
TOS DE DISEÑO
En las secciones previas se presentaron los requeri-
mientos de diseño para las tres categorías de pórticos
no arriostrados. En Tabla 3-2 se presenta un resumen
de dichos requerimientos a los efectos de una compara-
ción entre los distintos tipos de pórticos.
Tabla 3-2. Requerimientos de diseño para pórticos no
arriostrados Requerimiento Categoría
Especial Intermedio Ordina-rio
Factor R 8 4.5 3.5
Capacidad de rotación plástica en rótulas
0.03 0.01 ---
Distorsión de piso en las conexiones
0.04 0.02 ---
Conexiones viga-columna
Precalifi-cada o
verificación experimen-
tal
Precalifi-cada o
verificación experimen-
tal
No
Zonas protegidas Extremo de viga
Extremo de viga
No
Verificación panel nodal
Si No No
Relación anchura-espesor
λhd λmd No
Relación entre la resistencia flexio-nal de columnas y vigas
Si No No
Restricción lateral en nudos
Si No No
Restricción lateral en vigas
Si Lb = 0.086
ry E/Fy
Si Lb = 0.17 ry
E/Fy
No
Resulta evidente de la observación de la Tabla 3-2
que las categorías que se diseñan con un factor de mo-
dificación de respuesta, R, mayor (esto implica meno-
61
res resistencias requeridas en los componentes del
sistema) presentan verificaciones y requerimientos de
detalles más estrictos para asegurar una mejor capaci-
dad de disipación de energía.
3.6 CONEXIONES VIGA-COLUMNA
Como consecuencia del terremoto de Northridge de
1994 (ver Sección 1.4.5) se incrementaron significati-
vamente los requisitos que deben cumplir las conexio-
nes vigas-columnas en estructuras dúctiles de acero con
el objeto de evitar las fallas observadas luego de ese
terremoto. Para el diseño de las nuevas conexiones para
estructuras dúctiles se consideran dos criterios princi-
pales:
Re-ubicar la rótula plástica en las vigas alejándolas
de la cara de las columnas (ver Figura 3-15).
Incrementar la relación entre la capacidad flexional
de la conexión y el momento de plastificación de la
viga.
Fig. 3-15. Ubicación de rótulas plásticas en vigas con
distinto tipo de conexiones.
Las investigaciones experimentales y analíticas rea-
lizadas permitieron desarrollar y validar distintas solu-
ciones, las cuales pueden agruparse en dos categorías:
(i) aquellas en las que se refuerza la conexión mediante
placas o rigidizadores con el objeto de aumentar su
capacidad resistente y (ii) otras en donde, deliberada-
mente, se reduce la sección de la viga (realizando cor-
tes en las alas, por ejemplo) y por ende el momento
plástico de la misma. En las conexiones reforzadas la
rótula plástica se produce a una distancia s (ver Figura
3-15) medida a partir del borde de las placas o cartelas
de refuerzo; resultados experimentales indican que s
varía entre 1/3 y 1/4 de la altura total de la viga db
(Bruneau et al, 1998). En el caso de conexiones con
sección de viga reducida la rótula plástica se ubica en
correspondencia con el centro de la zona reducida. En
distintas verificaciones, como por ejemplo al determi-
nar la relación entre la resistencia flexural de columnas
y vigas, se requiere calcular el momento flector en la
cara de la columna, Mf = Mp + x V, de acuerdo con el
diagrama de cuerpo libre indicado en la Figura 3-15
(b).
Es importante aclarar que la configuración de rótu-
las plásticas ilustrada en la Figura 3-15 es válida en
pórticos donde el efecto de la carga gravitatoria sobre
las vigas es reducido. Puede considerarse, aproxima-
damente, que esta situación se cumple cuando la de-
manda flexional en la viga debida a la carga gravitato-
ria es menor que el 30% del momento plástico. (FE-
MA 2000a). Caso contrario, la presencia de cargas
gravitatorias elevadas puede modificar la posición de
las rótulas plásticas y en casos extremos podría cam-
biar el mecanismo de deformación plástica o mecanis-
mo de colapso. Es por ello que resulta necesario reali-
zar un análisis detallado para determinar la posición de
las rótulas y el tipo de mecanismo esperado.
En las secciones siguientes se presenta, a modo de
ejemplo, la descripción general de varios tipos de co-
nexiones. Para una descripción más detallada y proce-
dimientos de diseño el lector puede consultar las reco-
mendaciones FEMA 350 (FEMA, 2000a), FEMA
355D (FEMA, 2000f) y AISC 358 (AISC, 2010c). En
particular, en el documento FEMA 350 las conexiones
precalificadas se agrupan en: (i) conexiones soldadas
totalmente restringidas, (ii) conexiones apernadas to-
talmente restringidas, (iii) conexiones parcialmente
restringidas y (iv) conexiones con patente comercial.
Algunas de estas conexiones precalificadas son válidas
solamente para pórticos no arriostrados ordinarios. El
documento ANSI/AISC 358-10 describe seis tipos de
conexiones precalificadas para su uso en pórticos espe-
ciales e intermedios:
Conexión “viga reducida” (RBS).
Conexión con placa de extremo extendida, rigidiza-
da y no rigidizada.
Conexión con placa apernada al ala (BFP).
Conexión “ala soldada no reforzada-alma solda-
da”(WUF-W).
Conexión “Kaiser” apernada (sistema patentado).
Conexión “ConXtech ConXL” (sistema patentado).
3.6.1 Conexiones reforzadas
Se han desarrollado numerosos detalles para conexio-
nes reforzadas mediante placas triangulares o rectangu-
lares dispuestas en las alas de la viga, rigidizadores o
cartelas de distintas formas, usando como medios de
unión pernos, cordones de soldadura o una combina-
ción de ambos. Algunas de las conexiones propuestas
se encuentran protegidas por patentes comerciales.
Las Figuras 3-16 y 3-17 muestran cuatro alternati-
vas para conexiones que combinan pernos en la unión
del alma, para transferir el corte de la viga, y uniones
Viga
sección
reducida
Conexión
reforzada
Rótula plástica
Mp
V
(a)
(b)
62
soldadas en las alas de la viga. En todos los casos se
refuerza la conexión viga-columna y se desplaza la
rótula plástica desde el extremo hacia el interior de la
viga. En el caso particular de la Figura 3-16 (a) la placa
de refuerzo inferior es de forma rectangular para servir
de apoyo a la viga durante el montaje y facilitar la
soldadura desde arriba hacia abajo, mientras que la
placa superior es de forma trapezoidal. Este tipo de
conexión puede construirse con la unión de alma sol-
dada (en lugar de usar pernos) con lo que puede redu-
cirse el espesor de las placas de refuerzo en las alas.
Fig. 3-16. Ejemplos de reforzadas (Bruneau et al.,
1998).
Las conexiones con rigidizadores y cartelas triangu-
lares, como la mostrada en la Figura 3-17 (a) y (b)
pueden usarse no solo para construcciones nuevas sino
también para la rehabilitación de pórticos existentes.
Los resultados experimentales indican que las cartelas
triangulares son las más efectivas y permiten desarro-
llar grandes rotaciones plásticas, si bien se han probado
también otras configuraciones, por ejemplo, con carte-
las rectangulares. En ciertas situaciones resulta conve-
niente eliminar el uso de la cartela o rigidizadores en el
ala superior, con el objeto de facilitar la construcción
de los entrepisos. Estos casos especiales deben verifi-
carse experimentalmente o bien deben utilizarse cone-
xiones precalificadas.
Fig. 3-17. Ejemplos de reforzadas (Bruneau et al.,
1998)
Se han desarrollado también conexiones similares a
las indicadas en la Figura 3-17, pero usando pernos
como único medio de unión en obra, con lo cual se
tiene la ventaja de agilizar el proceso de montaje y
evitar las soldaduras en esa etapa de la construcción.
Alternativamente, la Figura 3-18 ilustra el caso de
conexiones totalmente apernadas, las cuales emplean
(a) Conexión con placas de
refuerzo
Columna
Chapa de refuerzo
superior
Zona de rótula
plástica
Viga
Chapa de refuerzo
inferior (rectangular)
Columna
Placa lateral
Viga
Placa lateral
(b) Conexión con placas
laterales
(a) Conexión con rigidiza-
dores verticales
(b) Conexión con cartelas
Columna
Detalle alternativo
Rigidizador
superior
Viga
Rigidizador inferior
Columna
Cartela superior
(opcional)
Viga
Cartela inferior
63
una placa que se suelda en taller al extremo de la viga
(Murray y Summer, 2003). La principal ventaja de esta
conexión es la rapidez del montaje y el hecho de evitar
totalmente la soldadura en obra. Como desventaja
puede mencionarse la posibilidad de alabeo de la placa
de extremo por la soldadura, la baja tolerancia a errores
en la longitud de la viga y el eventual desarrollo del
efecto de palanca (prying forces) debido a los esfuerzos
de tensión en los pernos. El reglamento ANSI/AISC
358-10 incluye conexiones precalificadas de este tipo
con y sin rigidizadores de la placa de extremo de viga.
(a) (b)
(c)
Fig. 3-18. Conexiones con placa de extremo extendida,
(a) con rigidizadores y 8 pernos, (b) con rigidizadores
y 16 pernos, y (c) sin rigidizadoress y 8 pernos (AISC
2010c).
Debido al requerimiento reglamentario de usar co-
nexiones precalificadas, se han desarrollado en EEUU
varios sistemas protegidos por patentes comerciales,
los cuales se han aplicado en forma creciente en la
última década. En la Figura 3-19 se muestra esquemá-
ticamente una conexión con placas laterales que se
incluye en las recomendaciones FEMA 350 (FEMA
2000a), junto con la imagen de su aplicación a un edi-
ficio. En este caso no existe contacto entre el ala de la
columna y el extremo de la viga, de modo que se evita
el complejo estado triaxial de tensiones que se origina
cuando se suelda en dicha zona. La transferencia de los
esfuerzos se realiza mediante dos placas laterales, las
cuales dan el nombre a esta conexión (side plate con-
nection).
Fig. 3-19. Conexión con placas laterales.
En la Figura 3-20 se muestra un sistema patentado
denominado “articulación-fusible” (pin-fuse joint), la
cual cuenta con dos placas curvas (una vinculada al
extremo de la viga y la otra al ala de la columna) que se
vinculan entre si mediante pernos por deslizamiento
crítico. Entre las placas curvas se dispone una delgada
placa de bronce. La conexión se comporta como total-
mente restringida ante acciones de viento y sismo de
mediana intensidad. Sin embargo, ante un sismo severo
las superficies curvas pueden deslizar, permitiendo el
giro de la articulación y, de esa forma, la disipación de
energía por fricción.
Otra opción de conexión protegida por patente co-
mercial, en este caso con pernos como medio de unión,
se presenta en la Figura 3-21. La conexión entre las
alas de la viga y el ala de la columna se realiza median-
te dos piezas especiales de acero de alta resistencia y se
denomina en inglés Kaiser bolted bracket connection.
El sistema de conexión está precalificado para ser usa-
do en pórticos especiales (con limitaciones cuando se
usan losas de hormigón) e intermedios.
64
Fig. 3-20. Conexión “articulación-fusible” (Cordova y
Hamburger, 2011).
Fig. 3-21.Conexión “Kaiser” con soportes de alta
resistencia apernados (a) esquema (AISC, 2010c) e
imagen de una conexión real ( Cordova y Hamburger,
2011).
Finalmente, en la Figura 3-22 se presenta la cone-
xión patentada por la empresa ConXtech para el caso
de columnas formadas por tubos cuadrados o secciones
cajón, rellenos de hormigón. Sobre la columna, se
monta en obra una anilla de alta resistencia que permite
la conexión con las vigas que llegan al nudo (las cuales
deben tener todas la misma altura nominal). El sistema
puede usarse con vigas de sección reducida (como se
indica en la Figura 3-22), o bien con vigas sin reduc-
ción, según los requerimientos del caso. Una ventaja
del sistema es que las partes integrantes de la anilla de
sujeción se sueldan totalmente en taller a los extremos
de cada viga y en las esquinas de la columna y luego en
obra se completa la conexión usando solamente pernos.
Fig. 3-22. Conexión “ConXtech ConXL” (AISC,
2010c).
3.6.2 Conexiones con viga de sección reducida
En las conexiones con viga de sección reducida (redu-
ced beam section, RBS, connection), se realiza un corte
en las alas del perfil en la zona cercana a la conexión,
según el detalle que se muestra en la Figura 3-23. De
esta forma se logra que la fluencia se concentre en la
zona de sección reducida, con un momento de plastifi-
cación menor que el propio de la viga.
65
La reducción c a cada lado del ala, ver Figura 3-23,
se adopta usualmente igual a 0.2 bf y no debe exceder
0.25 bf. El valor de a varía entre 0.5 y 0.75 bf y el de b
entre 0.65 y 0.85 bf. La conexión con la columna se
realiza mediante soldaduras de penetración completa en
las alas, mientras que el alma de la viga se vincula
mediante soldadura o pernos. En este caso no es nece-
sario reforzar la conexión debido a que se ha reducido
la capacidad resistente (momento de plastificación) de
la viga.
Las conexiones con viga de sección reducida repre-
sentan una buena solución estructural (basada en prin-
cipios de diseño por capacidad), que permite realizar
conexiones de rápida ejecución, con bajos requerimien-
to de mano de obra. Esta solución es conveniente desde
el punto de vista económico en países, como Estados
Unidos de América, donde el costo de la mano de obra
es importante en relación al costo del acero.
Fig. 3-23. Conexión con viga de sección reducida
(AISC, 2010).
3.6.3 Otras conexiones
Previo al terremoto de Northridge, el tipo de conexión
viga-columna más frecuente consistía en soldar las alas
de la viga directamente a la columna, mediante cordo-
nes de penetración completa, mientras que el alma de la
viga se conecta con pernos usando una planchuela
adicional soldada al ala de la columna. Este tipo de
conexión, conocida como “pre-Northridge”, demostró
un inadecuado comportamiento, debido fundamental-
mente a la ocurrencia de fracturas frágiles, las cuales se
produjeron a niveles bajos de demanda plástica y, en
algunos casos, aún en rango elástico. En la mayoría de
los casos, las fracturas se iniciaron en los cordones de
penetración completa que conectaban el ala de la viga
con la columna. Una vez iniciadas, las fracturas se
propagaban en formas diversas, afectando distintas
partes de la conexión.
Actualmente es posible utilizar una conexión simi-
lar, pero con ciertos detalles especiales que mejoran su
comportamiento, denominada “conexión ala soldada no
reforzada-alma soldada” (welded unreinforced flange–
welded web moment connection, WUF-W), Figura 3-
24. Es importante notar que se requiere el uso del deta-
lle indicado en la Figura 3-7 para los agujeros de acce-
so de soldadura. Los pernos sirven como elementos
auxiliares para el montaje, mientras se realizan en obra
las soldaduras en las alas y alma de la viga. Esta cone-
xión ha sido verificada experimentalmente, por lo cual
la recomendación FEMA 350 la incluye como cone-
xión precalificada para pórticos no arriostrados ordina-
rios y especiales. Posteriormente, el documento AN-
SI/AISC 358-10 también incluyó esta conexión como
precalificada para pórticos intermedios y especiales. La
principal ventaja de esta conexión es su sencillez cons-
tructiva y el costo reducido frente a otro tipo de cone-
xiones, particularmente las reforzadas.
Fig. 3-24. Conexión ala soldada no reforzada-alma
soldada.
La recomendación FEMA 350 incluye una cone-
xión similar a la descripta en la Figura 3-24, con la
diferencia que la unión del alma es apernada, denomi-
nada “conexión ala soldada no reforzada-alma aperna-
da (welded unreinforced flange–bolted web moment
connection, WUF-B). Esta conexión está precalificada
para pórticos ordinarios.
Finalmente, se presenta en la Figura 3-25 el esque-
ma de una conexión similar a la descripta previamente,
sin embargo la diferencia radica en que se realizan dos
ranuras horizontales en el alma de la viga (slotted web
Pletina simple para
soldadura de alma
Soldadura de penetración
completa
Bulones de montaje
Agujero para acceso de
soldaduraSección
reducida
Zona protegida
Radio = (4c2+b
2) / 8c
66
connection, SW), con el objeto de separar las alas del
alma en la zona de la conexión. Los resultados de aná-
lisis mediante el método de los elementos finitos y
datos experimentales medidos mediante bandas ex-
tensométricas (strain gauges) indican que se desarro-
llan grandes gradientes de tensión y deformación en el
extremo de la viga, tanto en la dirección horizontal
como vertical. Estos estudios muestran también que un
porcentaje significativo (de hasta el 50%) del esfuerzo
de corte vertical en la viga se trasmite por las soldadu-
ras de alma. Por lo tanto, las ranuras del alma permiten
modificar significativamente el complejo estado ten-
sional en esa zona, aliviando la concentración de ten-
siones en el extremo. Las alas resisten el momento
flector, casi en su totalidad, mientras que el esfuerzo de
corte es transferido a través del alma. Además, se redu-
cen las tensiones residuales por soldadura, debido que
las alas de la viga no están restringidas por el alma. La
conexión con ranuras en el alma está protegida por una
patente comercial.
Fig. 3-25. Conexión con ranuras en el alma (FEMA,
2000a).
La mayoría de los tipos de conexiones descriptas
previamente son aplicables para las situaciones más
usuales, en las que las vigas y columnas del pórtico
están formadas por secciones I. En los casos en los que
se usan otros tipos de secciones, por ejemplos colum-
nas tubulares o con sección cajón, deben aplicarse los
criterios generales para el diseño de conexiones y se-
guir el procedimiento de precalificación requerido por
las especificaciones (Chen et al., 2006). Al respecto,
resulta interesante describir algunas conexiones usadas
en Japón para estos casos. La Figura 3-26 muestra tres
conexiones diferentes para el caso de columnas tubula-
res y sección cajón. En el caso (a), la columna se corta
en la zona de la conexión para soldar en taller dos pla-
cas horizontales, que luego se conectarán con las vigas.
En el caso (b), las placas se disponen en el interior de
columnas, las cuales necesariamente están formadas
por una sección cajón armada, mientas que en el caso
(c) las placas rodean la columna y se sueldan a la mis-
ma en taller.En los casos (a) y (c) la columna puede ser
un tubo de sección cuadrada o rectangular.
Fig. 3-26. Conexiones usadas en Japón para columnas
tubulares o de sección cajón, (a) con placa a través de
la columna, (b) con placa interior, y (c) con placa
alrededor del nudo (Bruneau et al., 2010).
3.6.4 Conexiones precalificadas ANSI/AISC 358
La especificación ANSI/AISC 358-10, Prequalified
Connections for Special and Intermediate Steel Mo-
ment Frames for Seismic Applications (AISC, 2010c),
indica los criterios de diseño, detallado y fabricación
para conexiones precalificadas. Los miembros a co-
nectar deben cumplir con ciertos requerimientos para
asegurar que se pueden desarrollar las deformaciones
inelásticas necesarias. En el caso particular de vigas de
sección armada se requiere que las almas y las alas se
conecten con juntas soldadas de penetración completa
y que se agregue un par de cordones de refuerzo desde
el extremo de la viga hasta una distancia no menor que
la altura de la viga más allá de la zona de rótula pástica.
Para las columnas armadas se contemplan cuatro casos,
según se ilustra en la Figura 3-27, y se especifican
requermientos particulares para cada uno de ellos.
(a) (b)
(c)
67
Fig. 3-27. Tipos de secciones para columnas armadas.
A modo de resumen, en la Tabla 3-3 se presentan
los siete tipos de conexiones precalificadas que consi-
dera el AISC 358-10, donde se indica el nombre de la
conexión , con sus siglas en ingles entre paréntesis, y el
tipo de pórticos para el cual es aplicable. Las caracte-
rísticas de estas conexiones, en general, fueron descri-
pas en las secciones anteriores.
Tabla 3-3. Conexiones a momento precalificadas
(AISC, 2010c)
Tipo de conexión Sistema
Viga de sección reducida (RBS) SMF, IMF
Conexión apernada con chapa de extremo sin
rigidizar (BUEEP)
SMF, IMF
Conexión apernada con chapa de extremo
rigidizada (BSEEP)
SMF, IMF
Conexión apernada con chapas de ala (BFP) SMF, IMF
Conexión de ala soldada sin reforzar-alma
soldada (WUF-W)
SMF, IMF
Conexión Kaiser con soportes apernados
(KBB)
SMF, IMF
Conexión a momento ConXtech ConXL
(ConXL)
SMF, IMF
Sección cruciforme
con alas
Sección I
Sección I-cajónSección cajón
68
Capítulo 4
Pórticos arriostrados concéntricamente
4.1 INTRODUCCIÓN
Los pórticos de acero con arriostramientos concéntri-
cos representan una solución estructural conveniente
para suministrar resistencia y rigidez lateral en edifi-
cios de baja y mediana altura. Este tipo de estructura se
caracteriza porque los ejes centrales de los miembros
componentes se cortan en un punto, formando así una
estructura reticulada. Es por ello que las acciones late-
rales de viento y sismo inducen, principalmente, es-
fuerzos axiales en los miembros del pórtico arriostrado.
El sistema se destaca por su elevada rigidez lateral, la
cual permite controlar adecuadamente los desplaza-
mientos laterales para cumplir los requerimientos de
diseño.
Los pórticos arriostrados comenzaron a usarse en el
siglo XIX para puentes y construcciones industriales y
a comienzos del siglo XX su aplicación se extendió a
edificios. Inicialmente, una de las configuraciones más
usada fueron los arriostramientos con tensores en X
(también llamados "contravientos" por la función prin-
cipal que cumplían). En la década de 1960 se desarro-
llaron e implementaron otros sistemas de arriostra-
mientos y, a partir de las investigaciones realizadas, se
formularon criterios de diseño sismorresistentes más
detallados que favorecieron su uso generalizado para
edificios de baja y mediana altura, particularmente en
USA después del terremoto de San Fernando de 1971.
El criterio fundamental de diseño se basaba en limitar
la ocurrencia del pandeo global en las riostras compri-
midas, con lo cual la estructura no tiene posibilidades
de disipar energía en forma significativa. Los ensayos
cíclicos mostraron que el sistema puede disipar energía
luego del pandeo global de las riostras, siempre y
cuando se controlen otros modos de falla frágil como el
pandeo local y la fractura de las conexiones. Es decir
que se comprobó experimentalmente que, mediante un
diseño adecuado, se puede lograr una respuesta dúctil y
estable, con buena capacidad de disipar energía. Para
alcanzar este objetivo, es necesario considerar adecua-
damente los siguientes aspectos:
Configuración de las riostras.
Diseño de todos los miembros del pórtico (riostras,
vigas y columnas).
Detalles para conexiones y empalmes.
Las especificaciones de diseño modernas conside-
ran que las riostras diagonales pueden desarrollar de-
formaciones inelásticas durante la ocurrencia de un
terremoto severo. De esta forma, la estructura dispone
de capacidad para disipar energía bajo la acción del
sismo, mediante sucesivos ciclos de fluencia por trac-
ción y pandeo global en compresión (con formación de
rótulas plásticas en la zona central y en los extremos de
las riostras). La estrategia de diseño asegura que el
resto de la estructura (columnas, vigas y conexiones)
posean la capacidad suficiente para resistir las cargas
gravitatorias, aun cuando las riostras hayan sufrido
daño.
La experiencia recogida en terremotos pasados in-
dica que los pórticos arriostrados concéntricamente
pueden presentar un desempeño insatisfactorio, si los
componentes estructurales y sus conexiones no son
diseñados adecuadamente (Tremblay, 1996). Las fallas
observadas incluyen fractura de las riostras a través de
la sección neta en conexiones apernadas, daño excesivo
en vigas y columnas y fractura en conexiones soldadas
y apernadas (ver Sección 1.4.5).
En las secciones siguientes se analiza el comporta-
miento axial de las riostras, que son los componentes
estructurales característicos de los pórticos arriostra-
dos, y luego se describen los aspectos principales del
comportamiento estructural de los arriostramientos. En
las secciones finales se presentan los requerimientos de
las especificaciones ANSI/AISC 341-10, considerando
dos categorías de pórticos arriostrados concéntricamen-
te: los especiales y los ordinarios o convencionales (en
función del nivel de desempeño esperado).
4.2 COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE
LAS RIOSTRAS
4.2.1 Respuesta cíclica
Las riostras son los componentes estructurales selec-
cionados para disipar energía, mediante el desarrollo de
deformaciones inelásticas. Es por ello que resulta de
interés estudiar su comportamiento bajo carga axial
cíclica, analizando la respuesta en términos de carga
axial, P, desplazamiento axial, δ, y el desplazamiento
transversal en el centro de la riostra, Δ (que se produce
como consecuencia del pandeo flexional), como se
ilustra en la Figura 4-1.
Fig. 4-1. Variables estáticas y cinemáticas en una
riostra biarticulada sometida a compresión.
69
Al aplicar carga axial de compresión, la riostra ini-
cialmente se comporta como un elemento lineal y elás-
tico, experimentando un acortamiento δ (ver Figura 4-
2). La carga aumenta hasta que se produce el pandeo
global al alcanzar el valor Pcr. Si la riostra es suficien-
temente esbelta, el pandeo se produce en rango elásti-
co, de modo que la eventual descarga de la riostra se
realizaría siguiendo la rama de carga, sin deformacio-
nes plásticas. Durante el pandeo, la riostra no solo se
acorta axialmente, sino que también experimenta una
deflexión lateral (cuya variación en función de la carga
axial P se representa en la Figura 4-3) y aparecen es-
fuerzos internos de flexión. A medida que aumenta la
deformación axial y desplazamiento lateral, se incre-
menta también el momento flector y se produce una
rótula plástica en la zona central de la riostra (ver Figu-
ra 4-1). Si los extremos de la riostra no están articula-
dos, se pueden formar rótulas plásticas también en los
extremos de la riostra.
Fig. 4-2. Diagrama P-δ típico de una riostra sometida
a carga axial cíclica.
Fig. 4-3. Diagrama P-Δ típico de una riostra sometida
a carga axial cíclica.
Cuando la riostra pandea, la resistencia axial dismi-
nuye rápidamente, dependiendo de la esbeltez de la
riostra, λ=Kl/r (donde K es un factor que depende de
las condiciones de vínculo, l es la longitud entre puntos
de arriostramiento y r es el radio de giro de la sección
en la dirección considerada). En general, mientras
mayor es la esbeltez más significativa es la caída de
resistencia, en términos relativos. Los resultados expe-
rimentales indican que la resistencia pospandeo puede
llegar a ser un 20% de la carga crítica, en el caso de
riostras esbeltas. Para mayor información sobre este
aspecto, puede consultarse el trabajo de Remennikov y
Walpole, (1998), quienes proponen un factor de reduc-
ción, c, para cuantificar el decremento de resistencia
en la zona de pandeo poscrítico. La variación de dicho
factor en función de la esbeltez se presenta en la Figura
4-4.
Fig. 4-4. Factor de reducción
Al remover la carga axial completamente, la riostra
se mantiene significativamente deformada, tanto
axialmente como lateralmente. Cuando se inicia la
carga en tracción, la rigidez axial de la riostra está
degradada por efecto del pandeo que experimentó pre-
viamente, las rotaciones en la rótula plástica se invier-
ten y la deflexión lateral Δ decrece. Al continuar la
carga, la riostra fluye en tracción y se deforma plásti-
camente, si bien se mantiene una pequeña deflexión
lateral, aún cuando la carga se remueva completamen-
te.
Si se inicia un segundo ciclo de carga, se observa
que la carga de pandeo, P´cr, es menor que la carga
correspondiente al primer ciclo (ver Figura 4-2). Esta
reducción es más significativa a medida que aumenta la
esbeltez de la riostra. La relación P´cr/Pcr puede esti-
marse mediante la siguiente expresión empírica (Bru-
neau et al., 1998),
E
F
r
KlP
P
ycr
cr
35.01
1´
(4-1)
Los resultados obtenidos mediante esta ecuación indi-
c
Esbeltez, KL/r
70
can que, para un acero ASTM A-36, la relación P´cr/Pcr
es igual a 0.87, 0.76 y 0.68 para esbelteces de 40, 80 y
120, respectivamente.
Las Figura 4-5 presenta curvas P-δ obtenidas en los
ensayos realizados por Black et al. (1980) sobre tres
riostras con esbelteces de 40, 80 y 120. Si bien en los
tres ensayos no se usaron los mismos perfiles de acero
(para lograr distintas esbelteces), es interesante compa-
rar la forma de los ciclos de histéresis para observar el
efecto de la esbeltez de la riostra y la degradación de
rigidez y resistencia que se produce como consecuencia
de la carga cíclica. Finalmente, en la Figura 4-6, se
presenta la relación P-Δ obtenida en esos mismos ensa-
yos, para el caso λ =Kl/r = 80.
Fig. 4-5. Relación P-δ medida experimentalmente en
riostras con distinta esbeltez (Black et al, 1980).
A partir de la información experimental recogida en
diferentes ensayos, se han desarrollado modelos analí-
ticos que permiten representar las distintas fases del
comportamiento histerético de riostras sometidas a
carga axial (Remennikov y Walpole, 1997).
Fig. 4-6. Relación P-Δ medida experimentalmente en
una riostra con Kl/r=80 (Black et al, 1980).
4.2.2 Factores que afectan la respuesta
En las últimas cuatro décadas se han realizado numero-
sos estudios experimentales y analíticos para estudiar la
respuesta nolineal de las riostras. Esos estudios han
permitido identificar tres parámetros principales, a
saber, la esbeltez de la riostra (λ=Kl/r), sus condicio-
nes de vínculo y la forma de la sección.
a. Esbeltez
La esbeltez es el parámetro más importante e influ-
ye significativamente no sólo en la resistencia a com-
presión, sino también en la resistencia poscrítica y en la
degradación de resistencia por carga cíclica. Bruneau et
al. (1998) clasifican a las riostras en tres grupos: esbel-
tas, intermedias y robustas o poco esbeltas.
Las riostras esbeltas son aquellas en que la tensión
crítica de pandeo elástico es menor que el 50% de la
tensión de fluencia. Si se acepta como válida la ecua-
ción de Euler para calcular la tensión crítica, esta con-
dición puede expresarse en términos de esbeltez como:
2020
yF (4-2)
donde Fy es la tensión de fluencia en MPa. Para un
acero ASTM A-36, la Ecuación 4-2 implica que λ≥130.
Las riostras esbeltas se caracterizan por pérdida signifi-
cativa de resistencia y rigidez por causa del pandeo,
baja rigidez tangente para carga P=0 y deformaciones
residuales. En el caso particular de riostras muy esbel-
tas estos efectos negativos son más acentuados y al
retomar la carga en tracción se produce un rápido au-
mento de la rigidez. Este incremento repentino induce
un efecto similar al de una carga de impacto, lo cual
puede originar daño en la riostra y en sus conexiones.
Las riostras robustas son aquellas cuya respuesta en
compresión está controlada por la fluencia y el pandeo
local. La rótula plástica que se forma en el centro de la
riostra, como consecuencia del pandeo global, reduce
su capacidad debido al pandeo local, y disminuye la
capacidad de disipar energía. El valor límite de esbeltez
para definir el rango de las riostras robustas depende de
la relación anchura-espesor de la sección y de las ca-
71
racterísticas de la relación tensión-deformación del
acero. No obstante, puede definirse aproximadamente
que esta categoría comprende riostras con esbelteces
menores a 60 para aceros ASTM A-36 y menores a 50
para aceros de Grado 50. Los ciclos histeréticos de las
riostras robustas se caracterizan por tener mayor área y
menor degradación que los correspondientes a riostras
intermedias y esbeltas.
Finalmente, las riostras intermedias, como su nom-
bre lo indica, exhiben un comportamiento comprendido
entre las otras dos categorías. Los efectos de degrada-
ción de rigidez y resistencia son menores que los ob-
servados en riostras esbeltas y mayores que los corres-
pondientes a las robustas.
Los estudios de Tang y Goel (1989) sobre riostras
formadas por secciones tubulares indican que el núme-
ro de ciclos para producir la fractura de una riostra
aumenta, generalmente, con el incremento de la esbel-
tez de la riostra. Esta es una de las principales razones
por la cual los límites de esbeltez se han incrementado
paulatinamente en las dos últimas décadas. Actualmen-
te, se permite el uso de riostras con esbeltez menor o
igual a 200 (condicionado a que se apliquen criterios de
diseño por capacidad). Este valor, para el caso de rios-
tras de acero ASTM A36 es casi el doble del permitido
en las especificaciones del año 1992.
b. Condiciones de vínculo
Las condiciones de vínculo afectan la deformada de
pandeo y por ende la longitud efectiva, Kl, usada para
determinar la resistencia. El factor K de longitud efec-
tiva puede determinarse mediante valores tabulados,
para los casos simples, o bien mediante ábacos o pro-
cedimientos de análisis estructural, para el caso de
pórticos u otras estructuras más complejas. Los distin-
tos métodos para determinar K se describen en las
especificaciones ANSI/AISC 360-10 o en los libros de
textos sobre estructuras de acero, por ejemplo,
McCormac (2002), Salmon et al. (2008), Vinnakota
(2006).
Los estudios realizados por Black et al. (1980) mos-
traron que la deformada en rango inelástico, luego de
producido el pandeo, es similar a la deformada elástica.
Se observó en ensayos cíclicos que, a medida que se
aumenta el número de ciclos, la curvatura de la riostra
tiende a concentrarse en la rótula plástica ubicada en la
zona central.
El efecto de las condiciones de vínculo en la res-
puesta histerética de las riostras también fue estudiado
por Black et al. (1980), quienes ensayaron riostras con
igual esbeltez, con distintas secciones y con extremos
articulado-articulado y articulado-fijo. En el caso de
riostras formadas por secciones I y tubos circulares, se
observó un relativo incremento del área de los ciclos de
histéresis, mientras que en el caso de riostras formadas
por dos perfiles ángulo no se detectaron diferencias al
cambiar las condiciones de vinculación de los extre-
mos.
c. Forma de la sección
La forma de la sección de las riostras afecta su
comportamiento estructural y para evaluar su influencia
deben considerarse varios aspectos. Uno de ellos es la
eficiencia de la sección, que a igualdad de área trans-
versal, se cuantifica a través del radio de giro. Así por
ejemplo, los tubos de sección cuadrada y circular pre-
sentan ventajas comparativas frente a secciones I o
secciones canal. Estas ventajas son fundamentalmente
de tipo económico (porque se logra un disminuir la
cantidad de material utilizado), pero no necesariamente
implican un mejor comportamiento estructural bajo
acciones cíclicas
Otro aspecto fundamental es la compacidad de la
sección, medida a través de la relación anchura-
espesor, debido a que este parámetro se vincula direc-
tamente con los problemas de pandeo local. De modo
que las secciones con elementos más compactos, pre-
sentan mayor capacidad de disipar energía y de evitar
fracturas como resultado de las grandes deformaciones
localizadas que induce el pandeo local. A partir de
resultados experimentales obtenidos en un extenso
proyecto de investigación, Black et al., (1980), propo-
nen el siguiente agrupamiento de secciones para rios-
tras de acero, ordenadas en forma decreciente según su
desempeño:
Tubos de sección circular
Tubos de sección rectangular
Secciones I
Secciones T
Secciones "doble ángulo"
Estudios posteriores realizados por Goel y sus colabo-
radores (según se indica en los comentarios de AN-
SI/AISC 341-10) mostraron que las secciones tubulares
son susceptibles de fractura por concentración de de-
formaciones en la zona central. Los tubos de sección
rectangular con relaciones anchura-espesor elevadas
son los que presentan mayor riesgo, de ahí la importan-
cia de respetar las limitaciones indicadas en las especi-
ficaciones de diseño.
Las soluciones recomendadas para demorar el
inicio del pandeo local y evitar fractura en las riostras
son la colocación de rigidizadores, el uso de elementos
con menores relaciones anchura-espesor y el uso de
tubos de acero rellenos de hormigón simple. Es impor-
tante mencionar que el relleno del tubo con hormigón
no evita completamente la ocurrencia del pandeo local,
pero sí demora su ocurrencia, debido a que el hormigón
restringe el pandeo hacia el interior del tubo. Los resul-
tados experimentales obtenidos por Liu y Goel (1988)
confirman que se logra una mejora sustancial del com-
portamiento de la riostras con relleno de hormigón ante
cargas cíclicas, excepto para tubos con relaciones an-
chura-espesor elevadas (b/t=30, en esos ensayos). Se
observó que la deformada de pandeo local se produce
hacia el exterior del tubo, con forma similar a una cú-
pula rebajada. La zona afectada es mayor que en el
caso de tubos sin relleno, por lo que la demanda de
72
deformación es menor.
Las riostras también pueden construirse con seccio-
nes armadas (built-up members). En la Figura 4-7 se
muestra algunas secciones típicas para el caso usual de
usar dos riostras individuales vinculadas entre sí con
placas de costura (stitches). Esta configuración permite
vincular la riostra al pórtico mediante una chapa nodal
que tiene igual espesor que las placas de costura. Debe
limitarse la separación de las placas de costura para
evitar problemas de pandeo de cada barra individual.
En particular, la opción que se muestra en la Figura 4-7
(c), consistente en el uso de dos tubos de acero de sec-
ción rectangular, presenta ventajas interesantes frente a
una riostra equivalente formada por un único tubo de
sección rectangular mayor.
Fig. 4-7. Ejemplos de secciones armadas para riostras.
4.3 CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA DE LAS
RIOSTRAS
4.3.1 Criterios estructurales
Los pórticos arriostrados pueden diseñarse con diversas
configuraciones de riostras, las cuales deben respetar
no solo criterios estructurales, sino también requeri-
mientos funcionales (por ejemplo, por la ubicación de
puertas y ventanas), económicos, estéticos, etc. Cuatro
de las configuraciones más usuales se representan es-
quemáticamente en la Figura 4-8.
Una primera consideración para el diseño del sis-
tema de arriostramientos se relaciona con el ángulo de
inclinación de las riostras, cuyo valor se recomienda
que esté comprendido entre 30 y 60º. Caso contrario, se
desarrollan esfuerzos internos en las riostras o en el
pórtico que son desproporcionados y el sistema pierde
eficiencia. Además, se puede dificultar la construcción
de las conexiones entre las riostras y el pórtico.
Otro aspecto importante para lograr un adecuado
desempeño del sistema estructural es lograr que en
cada plano resistente las riostras se dispongan de forma
tal que la respuesta del sistema sea aproximadamente
simétrica (en términos de resistencia y rigidez) cuando
la estructura es sometida a acciones laterales cíclicas.
Esto usualmente se logra disponiendo un número par
de riostras en cada plano resistente, con igual sección y
ángulo de inclinación (como en los casos de la Figura
4-8). De esta forma, la inversión del sentido de carga
produce alternancia de esfuerzos de compresión y trac-
ción en las riostras, las cuales varían su resistencia y
rigidez, pero la respuesta estructural del sistema es
similar en ambos sentidos. Además, el adecuado balan-
ce entre riostras comprimidas y traccionadas evita la
acumulación de distorsiones de piso inelásticas en una
dirección. Por estas razones, las configuraciones indi-
cadas en la Figura 4-9 no son adecuadas y los regla-
mentos de diseño sismorresistente usualmente desalien-
tan o prohíben su uso (mediante requerimientos que se
explican más adelante).
Fig. 4-8. Configuraciones de riostra: (a) en X, (b)
diagonales, (c) en V y (d) en V invertida o Chevron.
4.3.2 Riostras en V y V invertida
Las configuraciones de riostras dispuestas en V o V
invertida son muy usadas en edificios y estructuras
industriales, si bien presentan algunas particularidades
que deben considerarse en el diseño. El vértice de los
arriostramientos no coincide con un nudo viga-
columna del pórtico, sino que se conecta en la zona
central de las vigas. Mientras la estructura responde en
rango elástico, las fuerzas axiales en las riostras son
iguales en valor absoluto (ver Figura 4-10). Sin em-
bargo, cuando la riostra comprimida pandea su capaci-
dad resistente disminuye (hasta un cierto valor Pc),
(a)
(b) (c)
Placa de costura
(a) (b)
(d) (c)
73
mientras que la fuerza axial en la riostra traccionada
aumenta (hasta alcanzar un valor Pt). Se origina así una
fuerza vertical en la viga, Pun, (ver Figura 4-11), como
resultado del desbalance entre los esfuerzos axiales
resistidos por las riostras:
senPPP ctun (4-3)
donde representa el ángulo de inclinación de ambas
riostras respecto de la horizontal.
Fig. 4-9. Configuraciones inadecuadas que resultan en
una respuesta estructural asimétrica.
Fig. 4-10. Mecanismo de deformación de un pórtico
con riostras en V invertida (a) antes y (b) después del
pandeo global de la riostra comprimida.
Fig. 4-11. Fuerza vertical en el nudo resultante de la
diferencia de resistencia a tracción y compresión de
las riostras.
De lo expuesto se deduce que la respuesta en rango
inelástico depende no solo de la relación entre la resis-
tencia a compresión y tracción de las riostras y de la
resistencia pospandeo de la riostra comprimida, sino
también de la resistencia flexional de la viga. Es por
ello que se consideran usualmente dos casos: pórticos
con viga fuerte o débil, de acuerdo a la resistencia
relativa entre la viga y las riostras (Remennikov y
Walpole, 1998). En el primer caso, la viga puede resis-
tir sin plastificarse los esfuerzos resultantes de la ac-
ción sísmica y de las cargas gravitatorias, mientras que
en el caso de vigas débiles se puede formar una rótula
plástica en la viga, luego de que la riostra comprimida
pandea, como se ilustra en la Figura 4-10(b). Cuando la
dirección de la acción sísmica se invierte, la riostra que
ha pandeado previamente no se puede enderezar com-
pletamente debido a la deflexión vertical de la viga. Si
la riostra opuesta, anteriormente traccionada pero ahora
comprimida, también pandea, la resistencia lateral
disminuye significativamente (porque depende del
comportamiento post-pandeo de las riostras). De modo
que la respuesta global de la estructura no es adecuada,
por lo cual el uso de este tipo de arriostramientos con
vigas débiles deben evitarse en el diseño sismorresis-
tente.
Otra opción para evitar los efectos negativos de las
carga vertical Pun en el centro de las vigas es utilizar
una columna intermedia adicional (zipper), como se
muestra en la Figura 4-12 (a) o alternar la ubicación de
las riostras para formar una X que comprende dos pi-
sos, Figura 4-12 (b).
4.3.3 Riostras en K
La configuración de riostras en K, cuyo esquema se
indica en la Figura 4-13, presenta problemas similares
a los mencionados previamente para las disposiciones
en V y V invertida. En la zona central de las columnas,
donde se conectan las riostras, se puede generar una
fuerza horizontal por el desbalance entre los esfuerzos
de tracción y compresión y la consecuente formación
de una rótula plástica (ver Figura 4-14). Esta situación
puede provocar la falla de la columna, con graves con-
secuencias para todo la estructura. Es por ello, que este
tipo de configuración no es recomendable y su uso no
(b)(a)
(c)
(b)
(a)
Pun
Pc
Pt
74
está permitido por las especificaciones sísmicas AN-
SI/AISC 341-10.
Fig. 4-12. Configuraciones de riostra para mitigar el
efecto de fuerzas desbalanceadas en las vigas: (a) con
columna de cierre o "zipper" y (b) en X sobre módulos
de 2 pisos.
Fig. 4-13. Pórtico arriostrado en K.
4.3.4 Riostras tipo tensor en X
Los pórticos con tensores en X (ver Figura 4-15) fue-
ron uno de los primeros sistemas con arriostramientos
que se utilizaron y aún se usan en la actualidad para
estructuras cuyo diseño está controlado por acciones de
viento. Sin embargo, su aplicación como sistema sis-
morresistente no es recomendable, debido al compor-
tamiento particular de los tensores, que son riostras con
una esbeltez muy elevada (kL/r > 300) y por ende su
resistencia a compresión es prácticamente nula. Si bien
la estructura es redundante y en todo momento hay al
menos un tensor traccionado, la respuesta cíclica exhi-
be etapas de comportamiento donde la rigidez es muy
reducida o nula (medida por la pendiente de la curva
carga-desplazamiento) y la resistencia lateral es baja,
como se observa en la Figura 4-16.
Fig. 4-14. Mecanismo de deformación de un pórtico
con riostras en K (a) antes y (b) después del pandeo
global de la riostra comprimida.
Fig. 4-15. Pórtico arriostrado con tensores en X.
Adicionalmente, como se mencionó en la sección
4.2.2, los arriostramientos con tensores en X presentan
el problema de un repentino aumento de rigidez cuando
la riostra, luego de pandear, toma carga en tracción,
pudiendo originar un efecto similar al de una carga de
impacto. Por estas razones, el uso de estos arriostra-
miento no es recomendado (incluso algunos reglamen-
tos lo prohíben mediante limitaciones de esbeltez o
resistencia de las riostras), salvo que la estructura se
diseñe para trabajar en rango elástico.
(a) (b)
(b)
(a)
75
Fig. 4-16. Respuesta estructural de un pórtico arrios-
trado con tensores en X, ensayado por Wakabayashi
(1986).
4.4 DISEÑO DE PÓRTICOS ARRIOSTRADOS
4.4.1 Mecanismo plástico
Los pórticos arriostrados concéntricamente pueden
desarrollar un mecanismo plástico aceptable, ante la
acción de un sismo severo. Como se ilustra esquemáti-
camente en la Figura 4-17, la deformación inducida por
el sismo origina el pandeo de las riostras comprimidas
y posteriormente la fluencia de las riostras tracciona-
das. Si se invierte el sentido de la acción sísmica, las
riostras que estaban traccionadas se pandean al quedar
comprimidas y viceversa. De modo que se puede lograr
un comportamiento dúctil, con adecuada disipación de
energía, debido a la fluencia en tracción y también por
las deformaciones plásticas que localmente induce el
pandeo de las riostras.
Fig. 4-17. Mecanismo plástico de un pórtico arriostra-
do.
La observación de estructuras sometidas a sismos
reales indica que, si bien es posible desarrollar un me-
canismo plástico con adecuada ductilidad, las riostras
quedan sometidas a grandes ciclos de deformaciones
inelásticas. Para resistir el efecto de estas deformacio-
nes sin pérdidas importantes de rigidez y resistencia es
de fundamental importancia realizar un diseño cuida-
doso que incluya detalles adecuados de los miembros y
conexiones para ese nivel de ductilidad.
4.4.2 Diseño de conexiones
Las riostras usualmente se vinculan a las vigas y co-
lumnas del pórtico mediante chapas de nudo (gusset
plates), usando como medio de unión pernos o cordo-
nes de soldadura. La experiencia recogida en terremo-
tos pasados y en ensayos de laboratorio indica que
muchas de las fallas observadas se producen en las
conexiones, de ahí la importancia de que se diseñen y
detallen adecuadamente. Para ello, es necesario asegu-
rar que la conexión tenga una resistencia a tracción,
compresión y flexión suficiente como para soportar los
máximos esfuerzos que le puede trasmitir la riostra,
cuando ésta desarrolla su capacidad resistente. Este
objetivo puede lograrse mediante la aplicación de los
principios del diseño por capacidad.
Es importante destacar que las especificaciones
ANSI/AISC 341-10 indican requerimientos particula-
res para la conexión viga-columnas y también para la
conexión de las riostras, con el objeto de permitir el
desarrollo de un mecanismo dúctil en los pórticos es-
peciales arriostrados concéntricamente.
Como criterio general de diseño, se debe considerar
que soldadura y pernos en una conexión no deben re-
sistir en forma compartida la misma componente de
una fuerza. En la Figura 4.18 se muestra un detalle
inadecuado, donde la fuerza axial en la riostra se trans-
fiere a la placa de nudo mediante soldadura de ranura
en las alas y pernos en el alma. Además, la componente
vertical actuante en la placa de nudo y en la viga se
transfiere a la columna, teóricamente, mediante solda-
dura de filete y pernos. En la realidad, la diferencia de
rigidez entre ambos medios de unión conduce a que la
casi totalidad de dicha fuerza vertical se transfiera
mediante la soldadura de la placa de nudo.
Fig. 4-18. Detalle de conexión inadecuado, debido a
Fluencia en tracción
Pandeo
76
que pernos y soldadura resisten en forma conjunta las
fuerzas actuantes.
La Figura 4-19 presenta dos ejemplos de conexio-
nes para riostras que cumplen con las especificaciones
de diseño. En el primer caso, la riostra, la viga y la
placa de nudo se unen mediante soldadura de ranura y
de filete. En este caso, los pernos indicados en el deta-
lle solo sirven en la etapa de montaje para posicionar la
riostra y la viga, mientras se ejecuta la soldadura en
obra. En el segundo ejemplo, la carga axial de la riostra
se transfiere íntegramente mediante cordones de solda-
dura, que conectan la riostra con la placa de nudo y ésta
con la columna y la viga. Las fuerzas actuantes en la
viga (corte vertical y eventualmente carga axial) se
transfieren a la conexión mediante pernos, con lo cual
se agiliza el montaje y se reduce la ejecución de solda-
dura en obra.
(a)
(b)
Fig. 4-19. Ejemplos de conexiones recomendadas para
riostras, (a) conexión totalmente soldada, (b) conexión
con soldadura y pernos.
4.5 PÓRTICOS ESPECIALES ARRIOSTRADOS
CONCÉNTRICAMENTE
4.5.1 Objetivo general del diseño
Los pórticos especiales arriostrados concéntricamente
(SCBF) se diseñan para desarrollar deformaciones
inelásticas significativas, mediante la fluencia y pandeo
de las riostras. En estructuras típicas, el comportamien-
to inelástico de las riostras puede iniciarse para valores
moderados de la distorsión lateral de piso (del orden de
0.3 a 0.5%) y, ante la ocurrencia de sismos severos, las
riostras pueden desarrollar deformaciones axiales muy
elevadas, por lo que se requiere un diseño adecuado de
todos los componentes estructurales para evitar fallas
prematuras. El factor de modificación de respuesta R
para este tipo estructural es de 6, de acuerdo al código
ASCE 7-10.
Si bien estos pórticos arriostrados se caracterizan
por sus conexiones concéntricas, se permiten pequeñas
excentricidades cuya magnitud no debe exceder la
altura de la viga. En esos casos se requiere que los
esfuerzos resultantes de esa excentricidad (momento
flector y corte) sean considerados en el diseño y que su
efecto no altere la capacidad de deformación inelástica.
4.5.2 Análisis
La resistencia requerida en vigas y columnas debe
determinarse a partir de la combinaciones de carga
correspondientes, con consideración de la acción sís-
mica amplificada. Para determinar el efecto de la ac-
ción sísmica incluyendo sobrerresistencia, Emh (ver
Sección 2.5.2) se deben considerar los esfuerzos más
desfavorables resultantes de los dos siguientes casos:
Análisis en el que se supone que las riostras desa-
rrollan la resistencia esperada a compresión y trac-
ción.
Análisis en el que se asume que las riostras traccio-
nadas desarrollan su resistencia esperada, mientras
que las comprimidas desarrollan su resistencia de
pos-pandeo.
La resistencia esperada a tracción se determina co-
mo Ry Fy Ag, Para las riostras comprimidas, la resisten-
cia esperada se adopta como el menor valor entre Ry Fy
Ag y 1.14 Fcre Ag (donde Fcre es la tensión crítica Fcr de
terminada para una tensión de fluencia igual a Ry Ft),
mientras que la resistencia esperada de pos-pandeo se
puede determinar como 0.3 veces la resistencia espera-
da a compresión. La longitud de pandeo para el cálculo
de la tensión crítica no debe exceder la distancia entre
los extremos de la riostra.
4.5.3 Riostras
Las especificaciones definen dos condiciones principa-
les para las riostras: (i) esbeltez máxima y (ii) resisten-
cia requerida. La esbeltez de las riostras debe cumplir
77
la condición:
200/ rKl (4-4)
Este límite es mayor que en versiones anteriores del
reglamento debido a que investigaciones recientes
muestran que la falla por fractura bajo carga cíclica es
menos probable a medida que se incrementa la esbeltez
de la riostra.
Además se requiere que el área efectiva de la riostra
no sea menor que el área bruta de la misma. Esta con-
dición implica la colocación de refuerzos especiales en
las zonas de conexión donde se reduce la sección, por
ejemplo, en riostras con conexiones apernadas o rios-
tras tubulares soldadas, que se insertan a las chapas de
nudo mediante ranuras realizadas en los extremos. Con
ello se busca evitar la ruptura de la riostra en la sección
neta antes de que la estructura desarrolle ductilidad,
como se observa en la Figura 4.20. El diseño de la
conexión de la riostra se puede ver muy condicionado
para dar cumplimiento a este requerimiento.
Fig. 4-20.Fractura de una riostra en la sección neta
(Fu et al., 2007)
Para el caso de secciones armadas, se requiere con-
trolar el espaciamiento de las placas de costura u otros
medio de unión, de modo que la esbeltez de los com-
ponentes individuales sea menor que el 40% de la es-
beltez global de la sección armada. No se permite el
uso de pernos para unir las placas de costura en el cuar-
to central de las riostras, donde puede formarse una
rótula plástica.
La parte central de las riostras, donde se puede pro-
ducir una rótula plástica como consecuencia del pandeo
flexional y los extremos de la riostras (incluyendo las
conexiones y una longitud igual a la anchura de la
riostra, d) se consideran zonas protegidas, como se
muestra en Figura 4-21. Es importante notar que en el
caso de riostras en X la conexión central es también
una zona protegida. En ese caso, la longitud L se mide
desde el extremo de la riostra hasta la conexión central
y, a los efectos de definir las zonas protegidas, se de-
ben considerar como si fueran cuatro riostras (ver Figu-
ra 4-22).
4.5.4 Configuración de las riostras
En cada plano resistente, las riostras deben disponerse
en direcciones alternadas con el objeto de conseguir un
buen balance entre la resistencia de las riostras traccio-
nadas y comprimidas. Es por ello que se exige en cada
plano que, ante fuerzas laterales actuando en ambas
direcciones, las riostras traccionadas resistan entre el
30% y 70% de la fuerza sísmica actuante en dicho
plano. Esta condición puede obviarse cuando la resis-
tencia a compresión de las riostras es mayor que la
resistencia requerida obtenida a partir de las combina-
ciones de carga con los estados de carga sísmica ampli-
ficada (lo que implica una respuesta esencialmente
elástica del pórtico arriostrado).
Fig. 4-21. Definición de las zonas protegidas en una
riostra y sus conexiones.
Fig. 4-22. Zonas protegidas en riostras en X.
Zona protegida
L
L/4
Zona
protegida
d
d
Zonas
protegidas
78
El cumplimiento de esta condición excluye el uso
de tensores en X, al igual que las riostras en K, como
sistema de arriostramientos para pórticos especiales
arriostrados.
4.5.5 Relación anchura-espesor
Las columnas y riostras de los pórticos especiales
arriostrados concéntricamente deben satisfacer los
requerimientos para miembros de ductilidad elevada.
De modo que las secciones de esos miembros deben
tener relaciones anchura-espesor que no superen el
valor límite hd. Las vigas se consideran como miem-
bros de ductilidad moderada, por lo cual las secciones
deben verificarse con el valor límite md.(que represen-
ta una condición menos estricta que la anterior). Estas
exigencias son coherentes con el criterio de diseño
sismorresistente para estos pórticos, mediante el cual se
permite el pandeo global de la riostra y se limita la
ocurrencia del pandeo local, que puede originar fallas
frágiles por fractura del acero.
4.5.6 Conexiones viga-columna
Las conexiones viga-columna en los pórticos arriostra-
dos usualmente incluyen una chapa de nudo para per-
mitir la conexión de la riostra. En estos casos, el re-
glamento ANSI/AISC 341-10 requiere que la conexión
viga-columna cumpla con una de las siguientes alterna-
tivas:
a) La conexión se diseña como una conexión simple
capaz de permitir una rotación de 0.025 rad.
b) La conexión se diseña para resistir un momento
flector igual al menor de los dos valores siguientes:
Resistencia flexional esperada de la riostra por
1,1, esto es 1.1 Ry Mp.
Suma de las resistencia flexionales esperadas de
la columna multiplicada por 1.1.
Las conexiones, en este caso, deben cumplir con los
mismos requerimientos de conexiones viga-
columna en pórticos no arriostrados ordinarios.
Los comentarios del reglamento presentan a modo
de ejemplo, una conexión ensayada por Stoakes y Fah-
nestock, (2010), cuyas características se presentan en la
Figura 4-23. Se observa que la viga y la chapa de modo
se conectan mediante perfiles L apernados al ala de la
columna. La deformabilidad propia de los perfiles L
permite que la conexión pueda rotar según lo requerido
por el reglamento para una conexión simple.
La Figura 4-24 representa otras dos alternativas
propuestas y ensayadas por Thornton y Muir (2008) en
donde la viga y la chapa nodal se conectan en forma
rígida, mediante soldadura, a la columna. Sin embargo,
la viga cuenta con un dispositivo que permite la rota-
ción de 0.025 rad. requerida por el reglamento. En el
caso (a) se emplean perfiles L, soldados al alma de la
viga y conectados entre sí mediante pernos, de modo
que se permite el giro por la deformabilidad de los
perfiles L (como en el caso de la Figura 4.23). En la
segunda alternativa, caso (b), la rotación se permite
mediante una articulación dispuesta en el extremo de la
viga.
Fig. 4-23. Conexión simple propuesta por Stoakes y
Fahnestock, (2010).
.
Fig. 4-24. Conexiones simples propuesta por Thornton
y Muir, L. S. (2008).
Los comentarios del reglamento también indican la
posibilidad de usar para pórticos especiales arriostrados
2 L
Pernos
2 L
Pernos
Pernos de
montaje
Articulación
(a)
(b)
79
concéntricamente una conexión simple propuesta por
Fahnestock et al. (2007) para riostras de pandeo res-
tringido. Las características principales de esta cone-
xión se ilustran en la Figura 4-25, donde se observa que
la viga se conecta únicamente mediante chapas o cu-
brejuntas de alma, con lo cual se permite la rotación.
Fig. 4-25. Conexión simple propuesta Fahnestock et al.
(2007) para riostras de pandeo restringido.
4.5.7 Conexiones de las riostras
Las conexiones deben cumplir los siguientes requeri-
mientos:
a. Resistencia requerida a tracción
La resistencia requerida a tracción de las conexio-
nes debe adoptarse como el menor de los valores si-
guientes:
La resistencia a fluencia esperada de la riostra, la
cual se determina como Ry Fy Ag (donde Ag es el
área bruta de la riostra).
La máxima carga axial que puede ser transferida a
la riostra, determinada mediante análisis estructural
(cuya determinación se explicita en la Sección
4.5.2).
b. Resistencia requerida a compresión
La conexión debe diseñarse considerando que la re-
sistencia requerida a compresión es al menos igual a la
resistencia esperada a compresión de la riostra, 1.1 Ry
Pn (donde Pn es la resistencia nominal a compresión).
c. Efectos originados por el pandeo de la riostra
La conexión debe ser capaz de resistir los efectos
inducidos por la formación de rótulas plásticas en los
extremos cuando se produce el pandeo global de la
riostra. De modo que la conexión debe tener suficiente
resistencia flexional o bien adecuada capacidad de
deformación para acomodar la rotación del extremo de
la riostra. Es por ello que el reglamento requiere que se
cumpla uno de los siguientes requerimientos:
Resistencia flexional requerida: la resistencia fle-
xión de la conexión debe ser al menos igual a la re-
sistencia flexional esperada de la riostra por 1,1, es-
to es 1.1 Ry Mp (Mp se determina respecto del eje
crítico de pandeo).
Capacidad de rotación: la conexión debe ser capaz
de permitir la rotación impuesta por el pandeo de la
riostra correspondiente al nivel de distorsión de pi-
so de diseño. Se permite considerar la rotación
inelástica de la conexión.
Es importante aclarar que estas condiciones de re-
sistencia deben verificarse considerando la posibilidad
de pandeo en el plano de la placa de nudo y también el
pandeo fuera de dicho plano. En el primer caso, la
placa y los elementos de conexión se diseñan para
cumplir la condición de resistencia flexional requerida.
En el caso del pandeo fuera del plano de la riostra, es
muy difícil, en general, cumplir con la condición de
que conexión sea más resistente flexionalmente que la
riostra. En este caso resulta conveniente detallar la
conexión de modo de acomodar las rotaciones inelásti-
cas de la riostra. En la Figura 4-26 se presenta, a modo
de ejemplo, un detalle de conexión recomendado en las
especificaciones ANSI/AISC 341-10, mediante el cual
se induce la formación de una franja de fluencia en la
placa de nudo para acomodar las rotaciones de la rios-
tra y, adicionalmente, para disipar energía. Este detalle
ha sido verificado experimentalmente y se demostró
que la anchura de la franja de fluencia 2 t (donde t es el
espesor de la chapa de nudo) es suficientemente peque-
ño como para evitar el pandeo de la chapa. El valor 2t
es una distancia mínima por lo que es recomendable
especificar un valor un poco mayor (2t + 25mm) en los
planos de construcción para considerar las tolerancias
de montaje.
Fig. 4-26. Relación carga axial-desplazamiento trans-
versal medida experimentalmente.
El criterio indicado en la Figura 4-26 es efectivo
Pernos
Articulación
Chapa de nudo
espesor t
2t
Riostra
80
desde el punto de vista estructural, pero en su aplica-
ción práctica puede conducir a chapas nodales de di-
mensiones excesivas, y por ende a un aumento de los
costos. Es por ello que Lehman et al. (2008), propusie-
ron un patrón de fluencia alternativo con una trayecto-
ria elíptica. En la Figura 4-27 se muestra una fotografía
tomada al finalizar el ensayo de una placa diseñada con
este criterio. Se observa la formación de una banda de
fluencia (zona más oscura debido a que la fluencia
origina el desprendimiento de la pintura blanca) que
permitió cumplir adecuadamente con el criterio regla-
mentario de rotación inelástica. Para más detalles sobre
el diseño de este tipo de chapas nodales se puede con-
sultar el trabajo de Lehman et al. (2008) o Bruneau et
al. (2010).
Fig. 4-27. Chapa nodal con patrón de fluencia de tra-
yectoria elíptica (Lehman et al., 2008).
Alternativamente, se puede lograr una adecuada ca-
pacidad de rotación inelástica con el detalle de cone-
xión representado en la Figura 4-28. En este caso, se
dispone una chapa intermedia que conecta la chapa
nodal y la riostra. Esta chapa intermedia rigidiza la
chapa nodal (y le confiere resistencia flexional en su
plano) y cuenta con una longitud libre, de dimensión 2t
como mínimo, que permite acomodar la rotación
inelástica resultado del pandeo en el plano del pórtico.
Los ensayos realizados por Tremblay et al. (2008),
demostraron un comportamiento satisfactorio de este
detalle de conexión.
Un caso particular, pero de mucho interés práctico,
es el de las conexiones de riostras de sección tubular,
dado que este tipo de secciones son utilizadas frecuen-
temente por su adecuada resistencia a compresión.
Durante muchos años, un detalle usual para estas cone-
xiones consistió en realizar dos cortes longitudinales en
los extremos de la riostra (como ranuras) y luego soldar
una plancha de acero insertada en los cortes, como se
indica en la Figura 4-29 (a). Es importante recordar,
como se mencionó en la Sección 4.5.3, que el regla-
mento requiere que la sección efectiva sea al menos
igual que la sección bruta de la riostra, condición que
no satisface el detalle mencionado (salvo que se agre-
guen refuerzos, como se explica más adelante). Es por
ello que se han propuesto y ensayado diversas alterna-
tivas para la conexión de riostras de sección tubular.
Una de ellas se ilustra en la Figura 4-29 (b) y consiste
en realizar una caladura en la chapa de conexión, la
cual se suelda a la riostra sin reducir la sección de la
misma.
Fig. 4-28. Chapa de conexión dúctil para rotulación en
el plano del pórtico.
Fig. 4-29 Detalles para conexión de riostras de sección
tubular, (a) inadecuado porque reduce la sección y (b)
adecuado.
Otra solución consiste en usar chapas o planchuelas
de refuerzo con el fin de aumentar la sección en la zona
de la conexión. La Figura 4-30 muestra un detalle dise-
ñado con este criterio, donde se observa que la riostra
de sección cuadrada se inserta en una chapa nodal. La
riostra se refuerza en sus extremos mediante dos chapas
soldadas en caras opuestas del tubo. Este detalle fue
ensayado por Tremblay et al. (2008), y se demostró que
la conexión exhibe una adecuada respuesta estructural.
2t
Chapa de nudo
Riostra
Chapa de conexión
espesor t
(a)
(b)
81
Fig. 4-30 Detalles para conexión de riostras de sección
tubular reforzada con chapas adicionales.
Finalmente, se menciona el detalle de conexión
desarrollado por la empresa Cast ConneX mediante una
pieza especial fundida de acero que se suelda al extre-
mo de riostras de sección circular. Esta pieza se inserta
en la chapa nodal y luego se fija mediantes pernos. En
la Figura 4-31 se muestra una fotografía de una riostra
con este tipo de conexión y el detalle de la pieza de
acero.
Figura 4-31. Conexión Cast ConneX High-Strength
Connector (http://www.castconnex.com)
4.5.8 Requerimientos especiales para arriostra-
mientos en V y V invertida
Los pórticos con arriostramientos en V y V invertida
deben cumplir con condiciones especiales, cuyo objeti-
vo es evitar daños en la zona central de la viga donde
se conectan las riostras (ver Sección 4.3.2). Las especi-
ficaciones indican que las vigas deben ser continuas
entre las columnas y que la misma deben arriostrarse
lateralmente de acuerdo a los requisitos para miembros
de ductilidad moderada (para controlar los efectos
adversos que podría originar el pandeo lateral-torsional
de la viga u otros efectos torsionales inducidos por el
pandeo de las riostras).
4.5.9 Arriostramientos en K
El sistema de arriostramientos en K no puede utilizarse
para pórticos especiales arriostrados.
4.5.10 Sistemas duales
Los pórticos especiales arriostrados concéntricamente
pueden usarse en combinación con pórticos no arrios-
trados, formado de esa forma un sistema dual (ver
Figura 4-32). De esta forma se aprovechan las ventajas
de ambos tipos estructurales y el sistema resultante se
caracteriza por una adecuada rigidez lateral y capaci-
dad de disipar energía. El factor de modificación de
respuesta se adopta como R=8, si el sistema dual inclu-
ye pórticos no arriostrados especiales, y R=6 si son
pórticos no arriostrados intermedios. En ambos casos
se requiere que los pórticos no arriostrados resistan al
menos el 25% del corte basal.
Los sistemas duales pueden generarse mediante la
combinación de dos tipos estructurales distintos en un
mismo plano resistente (como en el ejemplo que se
muestra en Figura 4-32) o bien cuando se combinan
planos resistentes de distinto tipo en una estructura
espacial.
Fig. 4-32. Ejemplo de un sistema dual con pórticos
arriostrados concéntricamente y pórticos no arriostra-
dos.
4.6 PÓRTICOS ORDINARIOS ARRIOSTRADOS
CONCÉNTRICAMENTE
2t
Chapa de nudo
RiostraChapa de
refuerzo
82
Los pórticos ordinarios arriostrados concéntricamente
son estructuras de ductilidad limitada, de modo que el
diseño se realiza con resistencias requeridas que son
mayores que en el caso de los pórticos especiales
arriostrados. En este caso, el factor de modificación de
respuesta R es reducido (el reglamento ASCE/SEI 07-
10 considera R=3.25). De esta forma se asegura que las
deformaciones inelásticas inducidas por un sismo seve-
ro en la estructura son reducidas. Las especificaciones
requieren que la esbeltez de las riostras cumpla con la
condición definida por la siguiente ecuación:
yFErKl 4/ (4-5)
Además, las riostras deben considerarse como
miembros de ductilidad limitada. Se prohíbe el uso de
arriostramientos en K y en el caso de arriostramientos
en V o V invertida se requiere que la viga sea continua
entre las columnas.
4.7 UTILIZACIÓN DE RIOSTRAS PARA LA
REHABILITACIÓN SÍMSICA
Las riostras de acero, conectadas en forma concéntrica
representan una alternativa válida para la rehabilitación
sísmica, particularmente en el caso de pórticos de acero
u hormigón armado que no cumplen los requerimientos
reglamentarios actuales. A modo de ejemplo, las Figu-
ras 4-33 y 4-34 muestran edificios rehabilitados con
riostras de acero.
Fig. 4-33. Edificio escolar en la ciudad de Mendoza,
Argentina, con estructura de hormigón armado, reha-
bilitado con el agregado de riostras de acero.
El uso de esta técnica de rehabilitación presenta va-
rias ventajas, como se indicó en la Sección 2.7.2. Sin
embargo también presenta algunos inconvenientes,
particularmente cuando las riostras se conectan a es-
tructuras existentes de hormigón armado. Las riostras,
por su elevada rigidez, quedan sometidas a fuerzas
axiales que deben trasmitirse a la estructura en la cual
se instalan, como se representa esquemáticamente en la
Figura 4.35. La experiencia indica que, en ciertos ca-
sos, los esfuerzos a trasmitir son tan elevados, que la
estructura existente no los puede resistir (aún con re-
fuerzos localizados) y debe modificarse la estrategia de
rehabilitación. No obstante ello, las riostras representan
una alternativa viable en muchas situaciones.
Fig. 4-34. Edificio Residence Hall, Berkely, Estados
Unidos, rehabilitado con riostras de acero.
Fig. 4-35. Esfuerzos trasmitidos por una riostra al
pórtico existente.
En la Figura 4.36 se muestra el detalle de conexión
de una riostra de acero de sección tubular al nudo de un
pórtico de hormigón armado. Se observa en la fotogra-
fía que la chapa de conexión se vincula a la columna de
hormigón armado mediante numerosos pernos de an-
claje. Este detalle corresponde a la rehabilitación sís-
mica del edificio “215 Fremont Street” realizada por
los Middlebrook + Louie, Structural Engineers.
la
Riostra
Estructura existente
83
Fig. 4-36. Detalle de la conexión de una riostra de
acero al nudo de un pórtico existente de hormigón
armado.
84
Capítulo 5
Pórticos arriostrados excéntricamente
5.1 INTRODUCCIÓN
Los pórticos arriostrados excéntricamente, adecuada-
mente diseñados, se caracterizan por desarrollar una
respuesta dúctil y estable (como se describió breve-
mente en la Sección 2.7). En este sistema estructural,
las fuerzas axiales inducidas en las riostras son transfe-
ridas mediante esfuerzos de corte y flexión en segmen-
tos de reducida longitud, llamados enlaces o links,
donde se disipa energía por fluencia del acero. Los
enlaces representan "fusibles estructurales", los cuales
deben detallarse adecuadamente para evitar que el
pandeo local y otros fenómenos de inestabilidad degra-
den la respuesta. Los restantes componentes del pórtico
(vigas fuera de la zona de enlace, columnas, conexio-
nes) se dimensionan aplicando conceptos del diseño
por capacidad para asegurar que permanecen en rango
elástico.
En las secciones siguientes se presentan los aspec-
tos más relevantes del comportamiento estructural de
los pórticos arriostrados excéntricamente y, en particu-
lar, de las zonas de enlace y conexiones. Se analizan
también los requerimientos de diseño de acuerdo a las
especificaciones ANSI/AISC 341-10.
5.2 CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES
5.2.1 Configuración geométrica
Las riostras pueden disponerse en distintas configura-
ciones, para lo cual es necesario considerar no sólo
aspectos estructurales, sino también funcionales, arqui-
tectónicos, etc., en forma similar al caso de pórticos
arriostrados concéntricamente. La Figura 5.1 ilustra
dos configuraciones típicas de uso frecuente en edifi-
cios y construcciones industriales. En el caso (a) se
utilizan arriostramientos en V-invertida y el enlace, o
zona dúctil, se genera en la parte central de la viga, con
lo cual se simplifica el diseño de las conexiones. La
situación contraria se presenta en el caso (b), donde el
enlace se encuentra adyacente a una conexión viga-
columna. Esta conexión debe diseñarse para resistir los
elevados esfuerzos que se generan en el enlace adya-
cente. Además, debe considerarse que en este caso los
momentos flectores en ambos extremos del enlace
pueden ser diferentes, debido a que la rigidez flexional
de los miembros que llegan a cada extremo es diferen-
te.
Alternativamente, se han desarrollado e implemen-
tado otras configuraciones que pueden resultar ventajo-
sas en ciertas aplicaciones. En la Figura 5-2 (a) se
muestra un ejemplo con arriostramientos en V para
generar enlaces en ambos extremos de las vigas. Esta
configuración tiene la ventaja de aumentar el número
de enlaces y, por ende, la capacidad de disipar energía.
Sin embargo, se complica el diseño de las conexiones,
como se mencionó previamente para el caso de la Figu-
ra 5-1 (b). Es interesante analizar el caso ilustrado en la
Figura 5-2 (b), donde el enlace se ubica fuera de la
viga, mediante un elemento vertical dispuesto en el
vértice de arriostramientos en V-invertida (podrían ser
también arriostramientos en V). Con esta configuración
se logra que el enlace sea un verdadero "fusible", dado
que puede reemplazarse fácilmente en caso de daño.
Como limitaciones debe considerarse la complicación
en el diseño de las conexiones y el hecho de que el
enlace vertical debe transferir parte de la carga gravita-
toria que resisten las vigas.
Fig. 5-1. Configuraciones típicas para pórticos arrios-
trados excéntricamente.
Fig.5-2. Otras configuraciones para pórticos arrios-
trados excéntricamente.
No es recomendable disponer las riostras de modo
(b)(a)
e e
(b)(a)
ee e
85
que los enlaces se generen sobre las columnas del pór-
tico. La razón principal es que el desarrollo de rótulas
plásticas en columnas puede resultar en la formación de
un mecanismo de piso flexible. Además, las columnas
están sometidas a esfuerzos axiles variables, que pue-
den ser elevados, y que dificultan la evaluación precisa
de la resistencia del enlace.
Otra configuración poco conveniente es la que se
muestra en la Figura 5-3. En este caso las riostras
diagonales se ubican de modo que se generan enlaces
en ambos extremos de las vigas, sin embargo estos
enlaces pueden no ser totalmente efectivos. Si el enlace
A (viga superior) y el enlace B (viga inferior) se dise-
ñan con resistencias diferentes, es probable que uno de
ellos se deforme inelásticamente, con lo cual se limita
la fuerza que se trasmite por la diagonal y el otro enla-
ce no alcanza a desarrollar su resistencia (y por ende no
se producen deformaciones plásticas). Cuando esta
situación se produce, el enlace que fluye se denomina
activo, mientras que el otro es un enlace inactivo (por-
que no desarrolla el mecanismo de deformación previs-
to). La presencia de enlaces potencialmente inactivos
no es recomendable, debido a que dificultan el análisis
de la estructura y aumentan la complejidad de los deta-
lles y en definitiva el costo de la construcción.
Fig. 5-3. Configuración de pórtico arriostrado excén-
tricamente con enlaces potencialmente inactivos.
5.2.2 Rigidez lateral
La rigidez lateral de los pórticos arriostrados excéntri-
camente depende significativamente de la longitud del
enlace (ver Figuras 5-1 y 5-2). Cuando dicha longitud
es muy reducida, en relación a la longitud total de la
viga, la rigidez lateral de la estructura es elevada y se
aproxima a la de un pórtico arriostrado concéntrica-
mente, mientras que si la longitud del enlace es grande,
la rigidez lateral disminuye y es similar a la de un pór-
tico no arriostrado.
El efecto de la longitud del enlace sobre la rigidez
lateral fue estudiado por Hjelmstad y Popov (1984) y
los resultados obtenidos se muestran en la Figura 5-4,
para distintos casos de relación altura-longitud, h/L, y
considerando que la relación entre el momento de iner-
cia de la viga y de la columnas es Ib/Ic=0.25. A los
efectos de la comparación de resultados, en todos los
casos la rigidez relativa se determina dividiendo la
rigidez lateral del pórtico arriostrado excéntricamente
por la rigidez del mismo pórtico sin arriostrar. Puede
observarse que si la longitud del enlace relativa, e/L, se
adopta entre 0.1 y 0.15, la rigidez del pórtico arriostra-
do excéntricamente es elevada; para valores mayores
de e, las riostras pierden efectividad y la rigidez decae
rápidamente.
e/L
e/L
Fig. 5-4. Variación de la rigidez relativa en función de
la longitud del enlace, e, para distintos valores de h/L
(Ib/Ic=0.25, Hjelmstad y Popov, 1984).
En el mismo estudio, se evaluó también la influen-
cia de la rigidez relativa entre viga y columna, medida
a través de la relación Ib/Ic. En la Figura 5-5 se presen-
tan los resultados en forma similar a los gráficos pre-
vios, considerando un pórtico con arriostramiento
diagonal simple y tres valores diferentes para dicha
relación. Los resultados indican que la rigidez lateral se
incrementa significativamente a medida que aumenta la
relación Ib/Ic. El efecto de esta variable es más pronun-
ciado para el caso de que la longitud del enlace es rela-
Enlace A
Enlace B
Rig
ide
z la
tera
l re
lati
va
Rig
ide
z la
tera
l re
lati
va
86
tivamente reducida.
e/L
Fig. 5-5. Variación de la rigidez relativa en función de
la longitud del enlace, e, para distintos valores de Ib/Ic
(h/L=0.75, Hjelmstad y Popov, 1984).
5.2.3 Comportamiento estructural del enlace
El enlace está sometido a elevados esfuerzos de flexión
y corte (ver Figura 5-6) por efecto de la acción sísmica;
la relación entre dichos esfuerzos determina el compor-
tamiento del enlace. A medida que los esfuerzos inter-
nos en el enlace se incrementan como consecuencia de
la acción sísmica, se pueden desarrollar rótulas plásti-
cas (debido a la flexión) en los extremos o, alternati-
vamente, se puede formar una rótula de corte, con la
fluencia del alma debido a dicho esfuerzo.
Fig. 5-6. Diagrama de momentos flectores y esfuerzos
de corte en el enlace, (a) enlace central y (b) enlace en
extremo de viga.
A los efectos de clasificar los enlaces de acuerdo
con su comportamiento estructural, se define la condi-
ción de fluencia balanceada cuando se produce simul-
táneamente la plastificación por flexión y la rótula de
corte. A partir de consideraciones de equilibrio (ver
diagrama de cuerpo libre en Figura 5-7), se deduce que
esta situación ocurre cuando la longitud del enlace es:
p
p
oV
Me
2 (5-1)
donde Mp es el momento de plastificación del enlace y
Vp la resistencia corte correspondiente al estado límite
de fluencia del alma:
twyp AFV 6.0 (5-2)
donde el área Atw se determina según las siguientes
expresiones, válidas para secciones I y secciones cajón
armadas, respectivamente (ver Figura 5.8):
wftw ttdA )2( (5-3a)
wftw ttdA )2(2 (5-3b)
tf es el espesor del ala y tw el del alma. La Ecuación 5-2
no considera el efecto de la carga axial que puede redu-
cir la resistencia a corte del enlace (como se indica más
adelante).
Fig. 5-7. Diagrama de cuerpo libre del enlace.
A partir de la condición de fluencia balanceada se
pueden definir los enlaces cortos (e ≤ eo) como aque-
llos en donde se producirá una rótula de corte, mientras
que en los enlaces largos (e ≥ eo) se formarán rótulas
plásticas por flexión (Kasai y Popov, 1986a y 1986b).
Sin embargo, los resultados experimentales indican que
la Ecuación 5-1, deducida a partir de condiciones de
equilibrio, no refleja adecuadamente el comportamien-
to nolineal. Los enlaces cortos con rigidizadores verti-
cales pueden desarrollar una capacidad a corte de 1.5
Vp, debido, principalmente, al endurecimiento de pos-
fluencia. Además, es recomendable que el momento en
los extremos no exceda el valor 1.2 Mp, para evitar
problemas de fractura por fatiga de bajo ciclaje. Por
estas razones, la condición para definir los enlaces
cortos se modifica:
p
p
p
p
oV
M
V
Me
6.1
5.1
)2.1( 2 (5-4)
Momento flector Corte
Momento flector Corte
(a)
(b)
MA
V
V
MB
e
Rig
ide
z la
tera
l re
lati
va
87
Con igual criterio, los resultados experimentales in-
dican que las rótulas plásticas por flexión se producen
en los extremos del enlace cuando:
p
p
oV
M.e
62 (5-5)
Fig. 5-8. Secciones usuales para el enlace: (a) sección
I y (b) sección cajón, ambas con rigidizadores vertica-
les.
En los casos en que la longitud del enlace está
comprendida entre los límites definidos por las Ecua-
ciones 5-4 y 5-5, los enlaces tienen un comportamiento
intermedio, con fluencia por flexión y corte. La clasifi-
cación de los enlaces se representa gráficamente en la
Figura 5-9. Se incluye en dicha figura el diagrama de
interacción M-V adoptado para los enlaces, bajo la
hipótesis de que ambas variables, M y V, son indepen-
dientes. En la realidad esto no es estrictamente válido,
sin embargo, los ensayos realizados indican que la
interacción es muy débil y puede ser despreciada a los
efectos del diseño.
La Figura 5-10 presenta imágenes de ensayos reali-
zados sobre enlaces cortos y largos, en las que se ob-
servan las deformaciones plásticas remanentes al fina-
lizar los ensayos. En el primer modelo, caso (a), se
observa una significativa deformación por corte y la
fluencia generalizada del alma. La falla, luego de nu-
merosos ciclos con deformaciones inelásticas de hasta
0.075 rad, se produjo por fractura del alma (la fractura
se inició en correspondencia con la soldadura de un
rigidizador). En el caso de las dos fotografías de enla-
ces largos, casos (b) y (c), se observa claramente el
pandeo de las alas y alma en ambos extremos del enla-
ce, donde los momentos flectores son máximos. La
falla se produjo a una deformación inelástica del orden
de 0.06 rad.
Fig. 5-9. Diagrama de interacción M-V y clasificación
de los enlaces en función de su longitud.
Usualmente, los enlaces se diseñan con longitudes
reducidas para que funcionen como enlaces cortos, esto
es, para inducir la formación de rótulas de corte. Los
datos experimentales y los resultados de estudios analí-
ticos muestran la conveniencia de este tipo de enlace,
debido principalmente a que la fluencia se distribuye
en forma más o menos uniforme en toda el alma. Es
por ello que la concentración de deformación plástica
es menor que las que se originan en enlaces largos,
donde la falla se produce normalmente por fractura del
acero en las alas. No obstante ello, el uso de enlaces
largos está permitido, dado que puede resultar necesa-
rio en ciertos casos donde existen requerimientos arqui-
tectónicos o funcionales especiales.
Las especificaciones sísmicas, originalmente se
formularon a luz de las investigaciones realizadas con
enlaces formados por secciones I. Luego se realizaron
estudios analíticos y experimentales para validar el uso
de otro tipo de secciones. Los trabajos de Berman y
Bruneau (2008), han demostrado que pueden usarse
también secciones tubulares de forma rectangular con
rigidizadores verticales externos, como se ilustra en la
Figura 5-8. Este tipo de sección mejora la estabilidad
del enlace y se desarrolló con el objeto de evitar el uso
de arriostramientos laterales, lo cual resulta de utilidad
en puentes, estructuras industriales, etc. Es por ello que
las especificaciones sísmicas actuales consideran am-
bas posibilidades como secciones para la zona de enla-
ce.
Rigidizador
wt
ft
Rigidizador
wt
ft
(a)
(b)
V
Vp
M
Mp
Enlace
intermedio
Enlacecorto
Enlace
largo
e=2 M / Vp p
e=2.6 M / Vp p
e=1.6 M / Vp p
Línea de
interacción
M-V
88
(a)
(b)
(c)
Fig. 5-10. Imágenes de ensayos sobre (a) enlaces cor-
tos y (b) enlaces largos (ambos realizados por Okazaki
et al., 2004b), y (c) enlace largo.
5.2.4 Resistencia del enlace
La determinación de la resistencia de diseño a corte
del enlace se realiza adoptando el menor valor que
surge de considerar los estados límites de fluencia por
corte en el alma y plastificación por flexión. Cuando el
efecto de la carga axial es despreciable, Pu/Py ≤ 0.15 se
tiene:
Fluencia por corte:
pn VV (5-6a)
Fluencia por flexión:
e
M
p
d 2V (5-6b)
Por el contrario, cuando Pu/Py > 0.15 se debe incluir el
efecto negativo de la carga axial, que reduce la resis-
tencia:
Fluencia por corte:
2
1
y
upn
P
P- VV (5-7a)
Fluencia por flexión:
85.0
1
2V y
u
p
n
P
P
e
M (5-7b)
donde Pu es la resistencia axial requerida, Py la resis-
tencia axial nominal y Vp se define en la Ecuación 5-2.
Para el cálculo de la resistencia de diseño, se considera
el factor de resistencia a corte φv=0.90.
Es importante mencionar que, en el caso de enlaces
vinculados a losas de hormigón armado, la interacción
de la sección compuesta acero-hormigón puede incre-
mentar significativamente la resistencia a corte del
enlace. Sin embargo, este efecto se degrada rápidamen-
te a medida que la estructura se deforma cíclicamente
en rango inelástico, como resultado del daño localizado
en la losa de hormigón. Es por ello que este efecto
puede despreciarse a los efectos de evaluar la resisten-
cia de diseño del enlace, si bien es recomendable con-
siderar la sobrerresistencia resultante de la acción com-
puesta acero-hormigón para determinar las máximas
demandas que se generan sobre los restantes compo-
nentes estructurales (columnas, riostras, conexiones,
etc).
El refuerzo del alma mediante chapas adicionales
(doubler plates) no está permitido porque dichos re-
fuerzos no participan completamente en el proceso de
disipación de energía por deformaciones plásticas.
Debe considerarse, además, que las penetraciones o
perforaciones en la zona del enlace tampoco están
permitidas, debido a que afectan negativamente el
comportamiento estructural (ver comentarios de las
especificaciones ANSI/AISC 341-10).
5.2.5 Deformación inelástica del enlace
La deformación inelástica en el enlace es un parámetro
de significativa importancia en el diseño, siendo nece-
sario controlar los valores máximos esperados en un
sismo severo a los efectos de asegurar una respuesta
adecuada. La deformación inelástica puede cuantificar-
se mediante el ángulo de rotación plástica, γp, entre el
enlace y el tramo de viga adyacente a él. Si bien pue-
89
den aplicarse procedimientos de análisis nolineal para
determinar el valor de γp, resulta práctico para el diseño
evaluar dicha deformación a partir de un mecanismo
rígido-plástico, como se indica en la Figura 5-11 para
tres configuraciones diferentes de pórticos arriostrados
excéntricamente. En los dos primeros casos, esto es
cuando la viga tiene un enlace, la rotación del enlace se
determina como:
ppe
L (5-8)
y para el caso de viga con dos enlaces:
ppe
L
2 (5-9)
Mediante este procedimiento simplificado puede esti-
marse en forma conservadora la demanda de deforma-
ción inelástica en el enlace en función de la distorsión
de piso, θp=δp/h, y de parámetros geométricos como la
longitud del vano, L, y la longitud de enlace, e.
Fig. 5-11. Mecanismos de deformación plástica para
determinar la rotación en el enlace.
Las Ecuaciones 5-8 y 5-9 indican que la demanda
de rotación plástica en el enlace crece a medida que
disminuye la relación e/L. Esta variación se presenta en
la Figura 5-12, para el caso de pórticos con un enlace
en la viga (casos (a) y (b) de la Figura 5-11). Se obser-
va que en enlaces cortos, en relación a la longitud total
de la viga, la rotación plástica puede ser varias veces
mayor que la distorsión lateral de piso inducida por la
acción sísmica.
Las especificaciones de diseño requieren que la
demanda de rotación en el enlace no exceda ciertos
valores admisibles, con el objeto de evitar deformacio-
nes excesivas que pueden afectar la respuesta dúctil del
enlace y, por ende, de toda la estructura. Los resulta-
dos experimentales indican que la capacidad de defor-
mación inelástica del enlace depende significativamen-
te del comportamiento esperado. Los enlaces cortos
experimentan fluencia por acción de fuerzas de corte
uniformes en toda el alma (ver Figura 5-6), mientras
que en los enlaces largos la deformación plástica del
acero se concentra en los extremos, donde se producen
los momentos flectores máximos. Es por ello que los
enlaces cortos disponen de una mayor capacidad de
deformación. Acorde a estas observaciones, las especi-
ficaciones ANSI/AISC 341-10 indican que la rotación
del enlace, correspondiente a la distorsión de piso de
diseño, no debe exceder los siguientes valores:
0.08 para enlaces cortos, e ≤ 1.6 Mp/Vp
0.02 para enlaces largos, e ≥ 2.6 Mp/Vp
En el caso de enlaces intermedios se puede interpolar
linealmente para determinar el valor de la rotación
admisible. Este criterio se grafica en la Figura 5-13.
Fig. 5-12. Variación de la rotación plástica en el enla-
ce en función de la relación e/L, para pórticos con un
enlace en la viga.
Los datos obtenidos de estudios analíticos y expe-
rimentales muestran que la máxima demanda de rota-
ción inelástica se produce, usualmente, en los enlaces
del piso inferior. La demanda de rotación tiende a dis-
minuir en los pisos superiores y, en general, a medida
que aumenta el periodo de vibración del edificio. En
estructuras ubicadas en zonas de alta sismicidad, es
e
L
h
L
h
L
h
e
ee
(a)
(b)
(c)
p
p
p
p
p
p
p
p
p
0
2
4
6
8
10
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1e / L
p
/
p
ppe
L
ppe
L
ppe
L
2
ppe
L
90
recomendable realizar un diseño conservador de los
enlaces en los pisos inferiores, por ejemplo, aumentan-
do un 10% la resistencia a corte disponible en dichos
enlaces (ver comentarios de las especificaciones AN-
SI/AISC 341-10).
Fig. 5-13. Rotación admisible en el enlace en función
de la longitud e.
5.2.6 Resistencia lateral del pórtico
Al igual que las deformaciones inelásticas, la resisten-
cia lateral del pórtico arriostrado excéntricamente pue-
de determinarse mediante distintas herramientas de
análisis nolineal. Dichas herramientas de cálculo, si
bien se desarrollaron y se aplicaron en ámbitos acadé-
micos, en la actualidad su uso se ha extendido al diseño
de estructuras en la práctica profesional. No obstante
ello, resulta de interés obtener algunas conclusiones
generales que surgen de aplicar el análisis plástico para
estimar la resistencia lateral del pórtico. Por ejemplo, si
para el caso ilustrado en la Figura 5-11 (a), se iguala el
trabajo externo con el trabajo interno desarrollado en
los enlaces, bajo la hipótesis de comportamiento rigi-
do-plástico, se tiene que la resistencia lateral FE es:
h
LVF
p
E (5-10)
El valor de Vp en la ecuación previa depende del tipo
de enlace. En el caso de enlaces cortos, la respuesta
estructural está controlada por el mecanismo de fluen-
cia por corte del alma y la resistencia lateral del pórtico
FE es independiente de la longitud del enlace. Por el
contrario, si se diseñan enlaces largos, controla la plas-
tificación en flexión y la resistencia lateral FE decrece
en forma inversamente proporcional a la longitud del
enlace.
5.2.7 Comparación entre enlaces cortos y largos
En las secciones previas, se ha analizado el comporta-
miento estructural del pórtico completo y de sus enla-
ces (cortos y largos). A modo de resumen, es importan-
te destacar que el uso de enlaces cortos resulta en pórti-
cos de mayor rigidez y resistencia. La capacidad de
deformación plástica para el mecanismo de fluencia del
alma por corte también es mayor, si bien debe admitir-
se, como aspecto negativo, que la demanda de defor-
mación se incrementa. Como resultado de la compara-
ción relativa entre ventajas y desventajas, se concluye
que es recomendable el uso de enlaces cortos siempre
que sea posible.
5.3 DETALLE DEL ENLACE Y CONEXIONES
El detalle de los enlaces es un aspecto de significativa
importancia para asegurar un adecuado comportamien-
to estructural y cumplir con los niveles de disipación de
energía considerados en el diseño de pórticos arriostra-
dos excéntricamente. Los aspectos más importantes a
considerar para evitar o limitar la ocurrencia de pandeo
local son: (i) control de la relación anchura-espesor, (ii)
arriostramiento lateral del enlace y (iii) colocación de
rigidizadores de alma con altura completa.
Los rigidizadores para enlaces de sección I deben
disponerse en los extremos del enlace y en ambos lados
del alma, con una anchura combinada no menor que (bf
– 2 tw) y un espesor no menor que 0.75 tw o 10mm
(donde bf es la anchura del ala del enlace y tw es el
espesor del alma del enlace). Además, en la mayoría de
los casos, deben colocarse rigidizadores intermedios
con una cierta separación máxima, cuya determinación
depende del tipo de enlace. Las Figuras 5-14, 5-15 y 5-
16 presentan detalles típicos para distintos casos.
Fig. 5-14-. Detalle del enlace en la zona central de la
viga con riostras formadas por secciones I.
La determinación de la separación máxima, a, entre
rigidizadores intermedios para enlaces de sección I se
realiza según el siguiente criterio.
Enlaces cortos, e ≤ 1.6 Mp/Vp:
a = 30 tw – d/5 para rotaciones de enlace γp=0.08
a = 52 tw – d/5 para rotaciones de enlace γp=0.02
donde d es la altura total de la viga.
Para casos de rotaciones con valores intermedios se
debe interpolar linealmente.
0.08
e=2.6 M / Vp pe=1.6 M / Vp p
0.02
Rotación
admisible
(rad)
Longitud del
enlace, e
e
Arriostramiento
lateral de ala
superior e inferior
del enlace
El eje central de las riostra intercepta
al eje central de la viga en el extremo
del enlace o en su interior.
Rigidizadores en
ambos extremos
del enlace
Rigidizadores intermedios
en la altura total del alma
del enlace
91
Enlaces largos, e ≥ 2.6 Mp/Vp:
a = 1.5 bf
donde bf es la anchura del alma de la viga.
Enlaces intermedios, 1.6 Mp/Vp < e <6 Mp/Vp:
La separación máxima a debe cumplir simultánea-
mente los límites indicados para enlaces cortos y
largos.
No es necesario disponer rigidizadores intermedios
en el caso de que e > 5 Mp/Vp. (esta situación de en-
laces muy largos raramente se presenta en la prácti-
ca).
Fig. 5-15. Detalle del enlace en la zona central de la
viga con riostras formadas por secciones tubulares.
Fig. 5-16. Detalle del enlace y conexión reforzada a la
columna.
Los rigidizadores intermedios deben ser de altura
completa y pueden colocarse en un solo lado del alma
cuando su altura es menor de 635mm. Caso contrario
deben disponerse en ambos lados del alma. En el pri-
mer caso la anchura del rigidizador no deber ser menor
que (bf / 2– tw) y para el segundo caso no menor que
(bf –2 tw). El espesor del rigidizador no debe ser menor
que 0.75 tw o 10mm.
La resistencia requerida de los cordones de solda-
dura que conectan el rigidizador con el alma del enlace
es Fy Ast (donde Ast es el área horizontal del rigidiza-
dor) y la de los cordones que conectan con las alas es
Fy Ast / 4.
Los rigidizadores para enlaces de sección cajón de-
ben disponerse en los extremos del enlace y en ambos
lados del alma, y pueden soldarse en las caras externas
o internas del enlace. Los rigidizadores deben tener
individualmente una anchura no menor que b/2 (donde
b es la anchura interior de la sección cajón) y un espe-
sor no menor que 0.75 tw o 13mm. La determinación de
la separación máxima, a, entre rigidizadores interme-
dios se realiza según el siguiente criterio.
Enlaces cortos, e ≤ 1.6 Mp/Vp, con
yw F
Eth 64.0/ :
a = 20 tw – (d-2tf)/8
Enlaces cortos, e ≤ 2.6 Mp/Vp, con
yw F
Eth 64.0/ no se requieren rigidizadores in-
termedios.
Enlaces con e> 1.6 Mp/Vp no se requieren rigidiza-
dores intermedios.
5.4 DISEÑO DE PÓRTICOS ARRIOSTRADOS
EXCENTRICAMENTE
5.4.1 Aspectos generales
Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 incluyen
requerimientos detallados para un único tipo de pórti-
cos arriostrados excéntricamente, que se caracteriza por
una elevada capacidad de deformación inelástica. El
factor de modificación de respuesta se adopta como
R=8.
En las conexiones de los miembros, con excepción
de los enlaces, se permiten pequeñas excentricidades
cuya magnitud no debe exceder la altura de la viga. En
esos casos se requiere que los esfuerzos resultantes de
esa excentricidad (momento flector y corte) sean con-
siderados en el diseño y que su efecto no altere la capa-
cidad de deformación inelástica.
La resistencia requerida en riostras, columnas, vigas
(fuera de la zona de enlace) y conexiones se obtiene de
aplicar las combinaciones de carga sísmica amplifica-
da. Para determinar el efecto de la acción sísmica in-
cluyendo sobrerresistencia, Emh (ver Sección 2.5.2) se
debe considerar que los esfuerzos en los extremos del
enlace correspondientes a la resistencia a corte ajusta-
da. Esta resistencia se determina como Ry veces la
resistencia nominal a corte, Vn, multiplicada por 1.25,
para el caso de secciones I, o 1.40 para secciones tipo
cajón.
5.4.2 Enlaces
El enlace se diseña de acuerdo a lo indicado en las
secciones previas, en lo que se refiere a la evaluación
de la resistencia de diseño, determinación de la rota-
ción del enlace, rotación admisible y disposición de
e
Arriostramiento
lateral de ala
superior e inferior
del enlace
El eje central de las riostra intercepta
al eje central de la viga en el extremo
del enlace o en su interior.
Rigidizadores en
ambos extremos
del enlace
Rigidizadores intermedios
en la altura total del alma
del enlace
e
92
rigidizadores. Los enlaces son considerados zonas
protegidas y sólo se permite la soldadura de los rigidi-
zadores en dicha zona. No se permite el uso de tubos
de acero de sección rectangular (HSS), solo secciones I
o secciones cajón armadas.
Los extremos de los enlaces deben arriostrarse late-
ralmente, tanto a nivel del ala superior como del ala
inferior. La resistencia y rigidez requerida de cada
arriostramiento lateral debe cumplir las condiciones
iguales a las indicadas para las rótulas plásticas de
pórticos (Sección D1.2, ANSI/AISC 341-10).
5.4.3 Relaciones anchura-espesor
Las riostras y vigas del pórtico deben cumplir con
las condiciones de miembros de moderada ductilidad,
mientras que la columnas deben diseñarse como miem-
bros de ductilidad elevada.
5.4.4 Conexiones
Las conexiones en ambos extremos de las riostras de-
ben diseñarse con una resistencia requerida igual, como
mínimo, a la resistencia requerida de las riostras. Ade-
más, deben cumplir con los requisitos de resistencia a
compresión especificados para conexiones de riostras
en pórticos especiales arriostrados concéntricamente
(ver Sección 4.4.5).
Las conexiones viga-columna deben cumplir con
las especificaciones correspondientes a conexiones de
pórticos no arriostrados especiales (ver Sección 4.5.6),
esto es que se diseñan como conexiones simples (con
capacidad de rotación de 0.025 rad. como mínimo) o
bien como conexiones a momento, con una resistencia
requerida indicada por el reglamento.
Las conexiones soldadas deben considerarse como
soldaduras de demanda crítica en los siguientes casos:
Soldaduras de ranura en empalmes de columnas.
Soldaduras en conexiones columna-chapa base.
Soldaduras en conexiones viga-columna.
Soldaduras en conexiones enlace-columa (caso
ilustrado en Figura 5-16).
Soldaduras en juntas alma-ala de vigas armadas que
se conectan con el enlace.
En el caso de que los arriostramientos se dispongan
de manera que se tienen conexiones enlace-columna
(como la ilustrada en la Figura 5-16), dicha conexión
debe ser totalmente restringida (FR), capaz de resistir
la rotación inelástica que se genera en el enlace y dise-
ñarse con una resistencia a corte de Ry Vn, como míni-
mo, y una resistencia a flexión al menos igual al mo-
mento que se genera cuando el enlace desarrolla su
resistencia nominal a corte, Vn. Además, la conexión
debe ser precalificada, en forma similar a las conexio-
nes viga-columna en pórticos no arriostrados (ver Sec-
ción 3.1.2).
5.4.5 Sistemas duales
Los pórticos especiales arriostrados excéntricamente
pueden usarse en combinación con pórticos no arrios-
trados especiales, formando un sistema de muy buen
desempeño estructural. Se requiere que los pórticos no
arriostrados resistan al menos el 25% del corte basal.
El factor de modificación de respuesta se adopta como
R=8.
Los sistemas duales pueden generarse mediante la
combinación de dos tipos estructurales distintos en un
mismo plano resistente o bien cuando se combinan
planos resistentes de distinto tipo en una estructura
espacial.
93
Capítulo 6
Pórticos con riostras de pandeo restringido
6.1 ASPECTOS GENERALES
Los pórticos con riostras de pandeo restringido (BRBF,
por las siglas en inglés de buckling-restrained braced
frame) son un caso particular de los pórticos arriostra-
dos concéntricamente, considerados en el Capítulo 4.
En ambos casos, la estructura se diseña para que los
ejes de los miembros componentes se corten en un
punto, formando así conexiones concéntricas (como se
muestra en la Figura 6-1). La diferencia fundamental
entre estos sistemas surge de la mayor ductilidad y
capacidad de disipar energía que aportan las riostras de
pandeo restringido.
Fig. 6-1. Ejemplo de un pórtico con riostras de pandeo
restringido donde se observa que la conexión es con-
céntrica.
Las riostras, como se describió brevemente en la
Sección 2.7.5, están formadas por un núcleo de acero
que puede adoptar distintas configuraciones; las más
usuales son las secciones circular, rectangular, cuadra-
da o cruciforme, ver Figura 6-2, si bien en Japón se han
ensayado otras secciones (por ejemplo incluyendo
perfile H o tubos). El tubo exterior de acero usualmente
tiene sección circular o cuadrada. La capa antiadheren-
te que recubre el núcleo de acero cumple funciones
importantes para lograr un adecuado desempeño de las
riostras. En primer lugar, y como su nombre lo indica,
dicha capa debe permitir que la barra o elemento cen-
tral se deforme axialmente sin interferir con el tubo
exterior y el relleno de mortero. Adicionalmente, la
capa debe tener un cierto espesor y flexibilidad para
permitir la dilatación lateral del núcleo (efecto Poisson)
cuando es comprimido por efecto de la acción sísmica.
Si dicha dilatación es restringida, se produce una inter-
acción con el mortero de relleno y se transfiere carga
axial al tubo exterior, lo cual resulta en un aumento de
la resistencia a compresión. Sin embargo, la capa anti-
adherente no puede ser demasiado flexible, caso con-
trario se podría producir el pandeo global de la barra
central o el pandeo local (dependiendo del tipo de sec-
ción). De modo que debe llegarse a una situación de
compromiso, para permitir la expansión lateral y simul-
táneamente controlar el pandeo de la barra central.
Fig. 6-2. Secciones típicas de las riostras de pandeo
restringido.
No se dispone en la literatura técnica de informa-
ción precisa acerca de las características de la capa
antiadherente porque las riostras de pandeo restringido,
producidas por distintos fabricantes de Japón y USA,
están protegidas por patentes comerciales. A modo de
ejemplo, las Figuras 6-3 y 6-4 muestran riostras fabri-
cadas por las empresas Star Seismic y Core Brace,
respectivamente. La Figura 6-5 ilustra un proyecto
realizado en Japón con una riostra patentada, denomi-
nada “Unbonded Brace”.
Fig. 6-3. Riostra de pandeo restringido fabricada por
la empresa Sart Seismic (http://www.starseismic.net/).
94
Fig. 6-4. Riostra de pandeo restringido fabricada por
la empresa Core Brace (http://www.corebrace.com/).
Fig. 6-5. Aplicación de riostras de pandeo restringido
en un edificio en Japón, Sankyo New Tokyo Headquar-
ter (http://www.unbondedbrace.com/).
También se han diseñado e implementado solucio-
nes que no están protegidas por patentes comerciales y
que podrían implementarse sin mayores requerimientos
tecnológicos en países Latinoamericanos. Palazzo et al.
(2009) propusieron y ensayaron riostras formadas por
un núcleo de sección circular sobre el cual se adhirió
una capa de TeflónTM
, luego se aplicó una delgada capa
de grasa y finalmente una recubrimiento de Neopre-
noTM
de 1.7 mm de espesor para permitir la dilatación
lateral. Los ensayos dinámicos de las riostras bajo
carga axial cíclica permitieron verificar el adecuado
comportamiento de las riostras así construidas.
6.2 COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE
LAS RIOSTRAS DE PANDEO RESTRINGI-
DO
La característica distintiva de las riostras de pandeo
restringido es que pueden fluir en tracción y compre-
sión, evitando la ocurrencia del pandeo, ya sea global o
local. La Figura 6-6 muestra la respuesta histerética
para una riostra de pandeo restringido (línea azul) en
comparación con el ciclo de una riostra típica (línea
roja). Se puede observar que las diferencias significati-
vas se producen cuando las riostras se someten a com-
presión. La riostra de pandeo restringido presenta un
comportamiento prácticamente igual en tracción y
compresión, mientras que las riostras típicas presentan
degradación de rigidez y resistencia por efecto del
pandeo, reduciendo significativamente su capacidad de
disipar energía. Es importante aclarar que la resistencia
a compresión de la riostra puede ser mayor que la resis-
tencia a tracción, debido a que el núcleo de acero se
expande cuando es sometido a compresión. De ese
modo, si la capa antiadherente no pude absorber total-
mente dicha expansión, se transfiere carga al mortero
de relleno y al tubo exterior, con lo cual incrementa la
resistencia a compresión de la riostra.
Fig. 6-6. Comparación de los ciclos de histéresis (fuer-
za axial-desplazamiento) de una riostra típica con una
riostra de pandeo restringido (BRB).
Los principales modos de falla de una riostra de
pandeo restringido son:
Pandeo flexional del núcleo de acero.
Pandeo flexional del núcleo en modos altos de
pandeo (en la bibliografía en inglés, este modo de
falla se suele denominar como rippling).
Pandeo torsional del núcleo en los extremos libres
del núcleo o zona de transición.
Pandeo local en los extremos libres del núcleo o
zona de transición.
Falla de la conexión.
Los dos primeros modos de falla, vinculados al
pandeo flexional del núcleo, se explican gráficamente
en la Figura 6-7. En particular, resulta de interés discu-
tir el pandeo en modos altos. Este tipo de pandeo, teó-
ricamente, podría producirse en cualquier miembro
comprimido, según explica la teoría de Euler, que pre-
95
dice la carga crítica PE de una columna sin imperfec-
ciones, biarticulada y de material lineal y elástico a
partir de la ecuación:
2
22
L
EInPE
(6-1)
donde EI representa la rigidez flexional del miembro
comprimido, L su longitud y n es un entero mayor que
0. De todas las cargas críticas definidas por la Ecuación
6-1, la más importante es la menor, que corresponde al
caso n=1. Las cargas críticas correspondientes a los
casos en que n>1, presentan valores mayores e impli-
can deformadas de pandeo que requieren mayor ener-
gía para producirse, por lo cual no tienen importancia
práctica en el diseño de columnas y otros miembros
comprimidos (antes se produce el pandeo flexional
según la deformada del primer modo de pandeo, n=1).
Sin embargo, en el caso de riostras de pandeo restrin-
gido, el núcleo está confinado en un medio elástico
(capa antiadherente y mortero de relleno), por lo cual el
pandeo flexional en modos altos es posible. Los resul-
tados obtenidos tanto de ensayos experimentales como
de simulaciones numéricas confirman esta posibilidad.
Fig. 6-7. Modos de falla por pandeo flexional del nú-
cleo de acero.
La Figura 6-8 muestra el estado final del núcleo
central de riostras de pandeo restringido, luego de re-
mover el tubo exterior y el mortero de relleno con fines
de observación (Palazzo et al., 2009). Estos resultados
muestran claramente la ocurrencia del pandeo flexional
en modos altos debido a la deformabilidad y espesor
excesivo de la capa antiadherente utilizada en dichas
pruebas. Las verificaciones experimentales realizadas
permitieron diseñar adecuadamente riostras de pandeo
restringido, en particular las características de la capa
antiadherente, para evitar este problema. Adicional-
mente a las verificaciones experimentales, se realizaron
simulaciones numéricas con modelos refinados de
elementos finitos no lineales (Palazzo y Crisafulli,
2007), para estudiar el problema y validar los resulta-
dos experimentales. La Figura 6-9 presenta la defor-
mada obtenida en una de esas simulaciones, observán-
dose la capacidad del modelo para reproducir la res-
puesta experimental. Para más detalles sobre este modo
de falla se puede consultar la referencia de Black et al.,
(2002), quienes describen el fenómeno y presentan
ecuaciones para su consideración matemática.
Fig. 6-8. Vista del núcleo de acero de riostras de pan-
deo restringido ensayadas por Palazzo et al. (2009).
El pandeo torsional del núcleo de acero es otro po-
sible modo de falla por tratarse de una barra comprimi-
da axialmente, cuya sección transversal, usualmente,
presenta doble eje de simetría. Este tipo de falla podría
producirse en los extremos de la riostra, en la zona
libre comprendida entre la conexión y el extremo del
tubo exterior. Esta zona se representa gráficamente en
la Figura 6-10, donde se observa el tramo libre del
núcleo de acero, de longitud Le, y la zona de transición,
de longitud Lt. El tramo libre es necesario para permitir
el alargamiento y acortamiento del núcleo de acero, si
bien se diseña con un valor mínimo para evitar fenó-
menos de pandeo en esa zona. Con igual criterio se
define la zona de transición que permite pasar, sin
variaciones bruscas, de la sección transversal del nú-
cleo de acero a la sección (usualmente mayor) donde
la riostra se conecta con el resto de la estructura. Las
secciones transversales del núcleo con forma rectangu-
lar, cuadrada o cruciforme (ver Figura 6-2) presentan
ventajas para evitar la ocurrencia del pandeo torsional,
dado que el mortero de relleno impide el giro del nú-
cleo dentro del tubo.
Pandeo
flexional
Pandeo
flexional
en
modos
altos
96
Fig. 6-9. Simulación numérica realizada por Palazzo y
Crisafulli (2007) para estudiar el pandeo flexional en
modos altos.
Fig. 6-10. Detalle del extremo de una riostra de pan-
deo restringido, donde se observa el extremo libre del
núcleo y la zona de transición.
El pandeo local también podría ocurrir en la zona
de longitud Le + Lt (ver Figura 6-10), por lo que resulta
necesario controlar las relaciones anchura-espesor en
dicha zona. Finalmente, se puede producir la falla de la
conexión, para lo cual es necesario un diseño adecuado
según los criterios reglamentarios para conexiones de
estructuras sismorresistentes.
6.3 DISEÑO DE PÓRTICOS CON RIOSTRAS DE
PANDEO RESTRINGIDO
6.3.1 Aspectos generales
Las especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10
incluyen explícitamente a los pórticos con riostras de
pandeo restringido e indican que estas estructuras dis-
ponen de una elevada capacidad de deformación inelás-
tica como resultado de la fluencia en tracción y com-
presión de las riostras. Estas estructuras se diseñan con
un factor de respuesta R=8, que representa el valor más
elevado considerado (comparable con los pórticos no
arriostrados especiales y los pórticos arriostrados ex-
céntricamente).
Las especificaciones indican que las riostras no de-
ben ser consideradas para resistir las cargas gravitato-
rias.
La resistencia requerida en columnas, vigas y cone-
xiones debe determinarse de las combinaciones de
carga que incluyen el efecto de la acción sísmica am-
plificada. La acción sísmica amplificada considerando
la sobrerresistencia estructural, Emh, debe determinarse
bajo la hipótesis de que las riostras desarrollan su “re-
sistencia ajustada” en tracción y compresión. La deter-
minación de la resistencia ajustada se explica en la
Sección 6.3.3.
Las especificaciones se basan en el uso de riostras
calificadas mediante ensayos, de modo de asegurar que
su uso se ajusta al rango de deformaciones requerido y
que se evita la ocurrencia de modos de falla no desea-
dos.
6.3.2 Disposición de las riostras
El uso de riostras dispuestas en forma de K (ver Figura
4-13) no está permitido, por las mismas razones ex-
puestas al describir los pórticos arriostrados concéntri-
camente, esto es la posibilidad de que ocurran defor-
maciones inelásticas en las columnas.
En el caso de usar configuraciones en V y V inver-
tida (ver Figura 4-8), se deben cumplir con los siguien-
tes requisitos:
La resistencia requerida de las vigas que son inter-
ceptadas por las riostras y sus conexiones debe de-
terminarse a partir de las combinaciones de carga
reglamentarias, asumiendo que las riostras no resis-
ten cargas muertas ni cargas vivas.
Las vigas deben ser continuas entre las columnas
del pórtico y deben arriostrarse lateralmente según
los requerimientos exigidos a estructuras de ductili-
dad moderada. Como mínimo, se requiere un
arriostramiento lateral en el punto de intersección
de las riostras con la viga, a menos que ésta tenga
suficiente resistencia y rigidez fuera del plano para
asegurar la estabilidad.
Las configuraciones en V y V invertida presentan
requerimientos adicionales en las vigas de modo que
éstas tengan la resistencia adecuada para permitir que
ambas riostras fluyan. Cuando las riostras se compor-
tan en rango elástico el acortamiento de la riostra com-
LeLt
97
primida es equivalente al alargamiento de la riostra
traccionada, como se representa esquemáticamente en
la Figura 6-11 (a). Sin embargo, luego de que las rios-
tras fluyen, la riostra comprimida usualmente tiene
mayor resistencia que la traccionada (por las razones
explicadas en la Sección 6.2), de modo que se inducen
deformaciones de flexión adicionales a la viga, como
se indica en la Figura 6-11 (b) para el caso de arrios-
tramientos en V-invertida.
Fig. 6-11. Representación de la deformada de un pór-
tico con riostras de pandeo restringido en V invertida
(a) en rango elástico y (b) luego de la fluencia.
6.3.3 Diseño de las riostras de pandeo restringido
El diseño debe realizarse de modo que las deformacio-
nes inelásticas ocurran principalmente por fluencia de
las riostras. Las especificaciones definen el diseño a
partir de la resistencia ajustada de la riostra a compre-
sión, Pac, y a tracción, Pat, según las siguientes expre-
siones:
yscyac PRP (6-2)
yscyat PRP (6-3)
donde es un factor de ajuste de la resistencia a com-
presión, es un factor de ajuste por endurecimiento de
deformación y Pysc = Fy Asc es la resistencia a tracción
del núcleo de acero de la riostra de pandeo restringido.
La Figura 6-12 representa el diagrama fuerza-
desplazamiento en la riostra considerada en el diseño,
donde se observa que las resistencias Pac y Pat son los
valores máximos que pueden desarrollarse en este tipo
de riostras.
Fig. 6-12. Diagrama fuerza-deformación considerado
para el diseño de las riostras.
El factor (mayor o igual que 1.0) se calcula como
la relación entre la máxima fuerza de compresión y la
de tracción medidas en un ensayo realizado según los
requerimientos indicado en la Sección K3.4c de las
especificaciones. De modo que el diseño de las riostras
se basa en la verificación de las mismas mediante en-
sayos. Esta verificación experimental se realiza hasta
un nivel de desplazamiento axial de la riostra igual al
desplazamiento inducido por una distorsión de piso del
2% o por una distorsión de piso igual a dos veces la
distorsión de diseño, adoptando el mayor valor de los
dos. Los comentarios de las especificaciones indican
que el valor de dos veces la distorsión de piso para
determinar la demanda de desplazamiento en la riostra
representa el valor medio de los máximos originados
por un terremoto con una probabilidad de excedencia
en 50 años. Sismos con efecto de foco cercano o sis-
mos más fuertes pueden imponer demandas de defor-
mación mayores en la riostra. No obstante, debe consi-
derarse que estos aumentos de demanda pueden afectar
el comportamiento de las riostras, pero ello no implica
una falla o colapso.
Los ensayos de verificación pueden realizarse espe-
cíficamente para el proyecto en estudio o bien adoptar-
se ensayos realizados previamente que se encuentren
debidamente documentados (este criterio es similar al
aplicado para conexiones viga-columnas en pórticos no
arriostrados).
El factor representa el efecto del aumento de re-
sistencia por endurecimiento de deformación. Se de-
termina de los resultados experimentales como la rela-
ción entre la resistencia máxima a tracción y la resis-
tencia medida de fluencia Ry Pysc.
El núcleo de acero de la riostra no puede presentar
empalmes y debe diseñarse para resistir la carga axial
actuante (resistencia requerida), adoptando como resis-
tencia de diseño el valor Pysc. Esta parte de la riostra
debe considerarse como zona protegida
(b)
(a)
Fuerza axial
Tra
cció
nCom
pre
sió
n
Desplazamiento
axial
Pysc
Pat
Pysc
Pac
98
6.3.4 Conexiones
El diseño de las conexiones de la riostra de pandeo
restringido representa un aspecto de significativa im-
portancia, y como se indicó previamente, se aplican
criterios del diseño por capacidad para asegurar que las
conexiones tengan la resistencia adecuada. La resisten-
cia requerida de las conexiones de la riostra debe to-
marse como 1.1 de la resistencia ajustada de la riostra,
tanto en compresión como en tracción. El diseño de la
conexión debe considerar el pandeo local o global, para
lo cual pueden usarse los valores de fuerzas transversa-
les medidos en los ensayos de calificación. Para resistir
esta fuerza pueden disponerse rigidizadores o arrios-
tramientos laterales.
Las conexiones viga-columna deben cumplir los
mismos requerimientos indicados para los pórticos
arriostrados concéntricamente, según se describió en la
Sección 4.5.6. La conexión propuesta Fahnestock et al.
(2006), ver Figura 4-25, representa una solución ade-
cuada que, además, ha sido verificada experimental-
mente.
Las especificaciones requieren que se consideren
como soldaduras de demanda crítica las siguientes:
Soldadura de ranura en empalmes de columna.
Soldaduras en conexiones columna-base.
Soldadura en conexiones viga-columna.
6.4 APLICACIÓN A LA REHABILITACIÓN
ESTRUCTURAL
Las riostras de pandeo restringido representan una
buena alternativa para la rehabilitación sísmica de
estructuras, y de hecho hay numerosos ejemplos de su
aplicación con este objetivo (ver Figura 6-13).
Fig. 6-13. Aplicación de riostras de pandeo restringido
para la rehabilitación del edificio de la Biblioteca
Marriott de la Universidad de Utah.
En la Sección 4.7 se describieron las ventajas del
uso de riostras para la rehabilitación sísmica. En el
caso particular de utilizar riostras de pandeo restringi-
do, debe considerarse además que se logra un mejor
mecanismo de disipación de energía y que se evitan los
fenómenos de pandeo global o local, típicos en las
riostras convencionales. El pandeo puede generar da-
ños permanentes en las riostras y por ende, la necesi-
dad de realizar reparaciones luego de un sismo severo.
Como ya se mencionó en la Sección 4.7, debe estu-
diarse cuidadosamente la conexión de la riostra con la
estructura existente, dado que deben transferirse fuer-
zas axiales, tanto en tracción como en compresión.
99
Capítulo 7
Muros de corte con placas de acero
7.1 ASPECTOS GENERALES
7.1.1 Descripción del sistema
Los muros de corte con placas de acero se han usado
desde hace varias décadas en Japón y Estados Unidos
de América, y más recientemente en Canadá y México,
si bien su incorporación explícita en las reglamentacio-
nes AISC data del año 2005. La Figura 7-1 muestra
fotografías de un edificio que incorpora este tipo de
muros como sistema estructural sismorresistente. Los
muros de corte con placas de acero se emplean no solo
para construcción de edificios en altura, sino también
para viviendas y edificios residenciales de 2 o 3 pisos.
Fig. 7-1. Edificio U.S. Federal Courthouse, Seatle, que
incorpora muros de corte con placas de acero, (a)
vista general y (b) construcción de los muros (Sabelli y
Bruneau, 2006).
La Figura 7.2 muestra los elementos principales de
un muro sin aberturas; allí se indican los elementos de
borde (HBE y VBE) y las placas de acero que confor-
man el alma del muro, también denominadas paneles o
placas de relleno (infill plates) por algunos autores.
Fig. 7-2. Elementos componentes de un muro con pla-
cas de acero sin aberturas.
Las ventajas principales de este sistema estructural,
además de las propias de las construcciones de acero,
son:
la elevada rigidez y resistencia que confieren las
placas de alma
el consumo relativamente bajo de acero por la utili-
zación de dichas placas, dado que tienen espesor re-
lativamente pequeño.
el uso de conexiones sencillas para vincular la placa
con los elementos de borde.
La posibilidad de incorporar aberturas para puertas,
ventanas o perforaciones para el paso de tuberías u
otras instalaciones.
En comparación con los muros de hormigón arma-
do, se caracterizan por su rapidez de construcción y una
masa significativamente menor, si bien los muros con
placas de acero presentan menor rigidez lateral debido
a la esbeltez de la placa. Es importante considerar tam-
bién que se han desarrollado métodos de análisis y
diseño simples y confiables, de modo que no son nece-
sarios procedimientos complejos.
Elemento vertical
de borde (VBH)
Elemento horizontal
de borde (HBE)
Elemento de
alma
(a)
(b)
100
7.1.2 Tipos de muros de corte con placas de acero
Los muros pueden clasificarse o agruparse en varios
tipos según distintos aspectos. Desde el punto de vista
estructural, se pueden clasificar en (i) muros con placas
no rigidizadas y (ii) muros con placas rigidizadas. És-
tos últimos, a su vez, se subdividen, en placas con
rigidización completa o parcial. La función principal de
los rigidizadores es demorar o evitar la ocurrencia del
pandeo local o abollamiento de la placa de alma. Se
considera que la rigidización es completa cuando se
evita el pandeo local y permite que la placa fluya como
consecuencia de las tensiones de corte inducidas por la
acción sísmica; caso contrario, la rigidización es par-
cial.
En el caso de muros con placas rigidizadas, los ri-
gidizadores pueden disponerse en posición vertical,
horizontal o en ambas direcciones. La Figura 7-3 pre-
senta imágenes de dos muros de corte con distintos
tipos de rigidizadores.
Fig. 7.3. Imágenes de muros de corte con (a) rigidiza-
dores horizontales y (b) rigidizadores verticales y hori-
zontales (Sabelli y Bruneau, 2006).
Las primeras investigaciones y aplicaciones a edifi-
cios se realizaron con placas de almas sólidas, esto es
sin ninguna perforación. Sin embargo, a medida que el
sistema se difundió y se aplicó a construcciones de baja
altura se observó la necesidad de disminuir la resisten-
cia y rigidez de estos muros de corte. Una alternativa
para este problema es usar placas de reducido espesor
(chapas finas), pero los ensayos indican que tal mate-
rial presenta propiedades muy variables y por lo tanto
no es una solución confiable. Otra alternativa, incluida
en el reglamento ANSI/AISC 341-10 en su edición del
año 2010, es realizar una serie de perforaciones circula-
res que se distribuyen en toda la superficie de la placa
de alma según patrón regular, como se indica en la
Figura 7-4. Estas perforaciones permiten reducir la
resistencia y rigidez de todo el muro y además, pueden
usarse en caso de ser necesario para el paso de tuberías
y otras instalaciones. La Figura 7.5 muestra un muro de
corte con placas de acero perforadas ensayado por Vian
y Bruneau (2004).
Fig. 7.4. Muro de corte con placas de acero y perfora-
ciones circulares.
Fig. 7.5. Muro de corte con placas de acero y perfora-
ciones de esquina (Vian y Bruneau, 2004)
Otra tipo particular de muro de corte con placas de
acero son aquellos con esquinas perforadas y reforza-
das, como se ilustra en la Figura 7-6. En este caso, se
realiza un corte de un cuarto de círculo en las esquinas
superiores de la placa de alma para permitir el paso de
(a)
(b)
101
tuberías o instalaciones. El borde curvo del corte se
refuerza con una planchuela soldada. Los resultados
experimentales indican que la rigidez y resistencia del
muro de corte son similares a las correspondientes al
muro con placas solidas (sin perforaciones), siempre
que el radio del corte sea inferior a un tercio de la altu-
ra libre de la placa de alma. La planchuela de refuerzo,
soldada al borde de la perforación se comporta como
un arco circular. En la Figura 7-7 se muestra la imagen
de un muro con este tipo de perforación de esquina,
luego de haber sometido a un ensayo de cargas latera-
les (Vian y Bruneau, 2004).
Fig. 7.6. Muro de corte con placas de acero y perfora-
ciones de esquina.
Fig. 7.7. Detalle de la perforación de esquina en un
muro de corte con placas de acero ensayado por Vian
y Bruneau (2004).
Los muros de corte con placas de acero pueden
construirse con aberturas en las placas de alma, en
aquellos casos que los requerimientos funcionales o
arquitectónicos así lo requieren. Las aberturas deben
disponer de elementos intermedios de borde que rodeen
totalmente su perímetro, como se muestra en la Figura
7-8, donde se presentan muros con abertura para una
ventana y una puerta. De esta forma, la placa de alma
queda divida en una serie de subplacas menores, cada
una de las cuales está adecuadamente delimitada por
elementos de borde. La razón principal de aplicar este
criterio se debe a que en la actualidad no se dispone de
información experimental de muros con aberturas sin
elementos de borde.
Fig. 7.8. Esquemas de muros de corte con aberturas
para puertas o ventanas.
En la Tabla 7-1 se presentan un resumen de los ti-
pos de muros descriptos en esta sección, agrupados
según la forma de rigidización y el tipo de aberturas o
perforaciones. Las distintas alternativas indican clara-
mente las posibilidades de este sistema estructural que
puede adaptarse para cubrir una amplia gama de situa-
ciones diferentes.
Tabla 7-1. Tipos de muros de cortes con placas de
acero.
Muros de corte con placas de acero
Sin rigidizadores
Con rigidizadores (rigidización completa o parcial)
Muros de corte con placas de acero
Solidos
Con perforaciones circulares
Con perforaciones de esquina
Con aberturas (puertas o ventas)
102
7.1.3 Configuraciones de los muros
Las placas de alma pueden disponerse según distintas
configuraciones, a través de las cuales se puede modi-
ficar o ajustar el comportamiento global de la estructu-
ra. La Figura 7.9 muestra dos ejemplos típicos. En el
primero, caso (a), las placas se disponen para confor-
mar dos muros acoplados, en forma similar a muros
acoplados de hormigón armado. Las vigas de acople
vinculan ambos muros y genera esfuerzos axiales de
tracción y compresión en los mismos. El caso (b) re-
presenta una estructura dual, pórtico-muro, que combi-
na las ventajas de ambos sistemas. Las vigas permiten
transferir parte del momento de vuelco hacia las co-
lumnas exteriores.
En la Figura 7-10 se representan algunas configura-
ciones alternativas, a modo de ejemplo, para mostrar la
flexibilidad del sistema. Estas configuraciones pueden
usarse por razones funcionales para permitir circula-
ciones, para lograr una construcción más económica o
bien para mejorar ciertos aspectos de la respuesta es-
tructural. Sin embargo, el diseñador debe ser conscien-
te de que estas configuraciones pueden generar discon-
tinuidades de rigidez y resistencia, originando así con-
centraciones de demanda en algunos de los miembros
de la estructura por la necesidad de transferir esfuerzos
desde una panel hacia otro. Estos efectos deben anali-
zarse cuidadosamente al realizar el diseño.
Fig. 7.9. Configuraciones para muro de corte con
placas de acero.
7.2 COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL
El comportamiento estructural de los muros de corte
con placas de acero se caracteriza, como todos los
sistemas de muros, por su elevada rigidez y resistencia
en comparación con un pórtico de similares caracterís-
ticas geométricas. Bajo la acción de cargas sísmica, los
muros de corten pueden disipar energía, principalmen-
te, por la fluencia de la placa de alma. La fluencia se
desarrolla por un mecanismo de acción de campo de
tracción diagonal, con un ángulo de aproximadamente
45º, mientras que en la dirección perpendicular la placa
pandea a niveles bajos de carga (debido a la esbeltez de
la placa). La Figura 7-11 muestra la placa de acero de
un muro ensayado por Berman y Bruneau (2003), don-
de se observa claramente la fluencia por tracción dia-
gonal y el pandeo de la chapa de alma originado por las
tensiones principales de compresión. Los ensayos indi-
can que la placa de alma puede experimentar grandes
deformaciones inelásticas en tracción y compresión. En
algunos casos se ha observado problemas de fractura
del acero, por ejemplo en las esquinas del panel, donde
se pueden producir demandas elevadas.
La respuesta estructural es muy adecuada, con ci-
clos de histéresis estables, sin degradación de rigidez o
resistencia y con una excelente capacidad de disipación
de energía, aun cuando se produzca el pandeo de la
placa de alma. La Figura 7-12 muestra la respuesta
cíclica de un muro de corte ensayado bajo cargas late-
rales que simulan la acción del sismo.
Fig. 7.10. Configuraciones alternativas para muro de
corte con placas de acero.
103
Fig. 7-11.Vista de la placa de acero, con clara eviden-
cia de fluencia y pandeo, en ensayos realizados por
Berman y Bruneau (2003).
Las placas de alma se construyen con espesores re-
ducidos, de modo que su esbeltez es muy elevada. En
las primeras aplicaciones de este sistema estructural se
usaron placas con esbelteces que variaban entre 300 y
800. Sin embargo, a medida que se profundizaron las
investigaciones y se realizaron más ensayos de labora-
torios las esbelteces fueron creciendo. Actualmente, se
dispone de información experimental sobre muros con
esbelteces de hasta 3500, los cuales han exhibido un
comportamiento satisfactorio.
Fig. 7-12. Respuesta histerética de un muro de corte
con placas de acero ensayado por Vian y Bruneau
(2004).
Los elementos de borde vertical y horizontal, VBE
y HBE, se conectan en forma rígida (conexiones total-
mente restringidas, FR), de modo que pueden formarse
rótulas plásticas en los elementos horizontales, en for-
ma análoga a un pórtico no arriostrado. Los resultados
experimentales indican que puede producirse pandeo
local en las rótulas plásticas cuando el muro de corte
desarrolla ductilidades elevadas. En ensayos realizados
por Vian et al (2009a) se observó la fractura parcial del
elemento de borde horizontal, lo cual produjo una dis-
minución de la capacidad resistente de la estructura a
un nivel de distorsión de piso del 3%. Sin embargo, se
pudo continuar el ensayo incrementando el desplaza-
miento lateral debido a la redistribución de esfuerzos
resultante de la redundancia estructural del sistema.
Es importante mencionar que la presencia de ten-
siones de compresión elevadas, originadas por las car-
gas gravitatorias, pueden demorar el desarrollo de la
acción de campo por tracción y afectar la respuesta
estructural. Es por ello que debe planificarse adecua-
damente la secuencia constructiva, particularmente en
edificios elevados, con el fin de colocar las placas de
acero una vez que las cargas muertas están efectiva-
mente aplicadas sobre la estructura.
7.3 ANALISIS ESTRUCTURAL
El dimensionamiento de los componentes del muro de
corte con placas de acero requiere de modelos que
permitan determinar los esfuerzos en los elementos de
borde y las tensiones en la placa. Además, el análisis
permite evaluar los desplazamientos laterales a los
efectos de cumplir con las limitaciones reglamentarias
para controlar las distorsiones de piso. Los métodos de
análisis más usuales son el método de las bandas y el
método de la membrana ortótropa. Este último requiere
de software específico para su aplicación y no todos los
programas de análisis estructural de uso profesional
incluyen esta alternativa. Otra opción es el uso del
método de los elementos finitos para modelar los com-
ponentes de borde y las placas de acero. Esta metodo-
logía es más general y permite representar casos más
complicados, como por ejemplo por la presencia de
aberturas u otras irregularidades.
El método de las bandas fue introducido por Thor-
burn, en 1983, y luego desarrollado y mejorado por
muchos otros investigadores (según lo indicado por
Sabelli y Bruneau, 2006). Este procedimiento se basa
en el comportamiento observado de la placa de acero
(ver Figura 7-13), de modo que la misma es reempla-
zada por una serie de barras diagonales paralelas rigi-
dez y resistencia sólo a tracción, según se representa en
la Figura 7-14. La comparación de resultados obtenidos
con este modelo y los datos experimentales muestra
una buena concordancia en la medida que el modelo se
formule adecuadamente. Para ello es fundamental con-
siderar 10 bandas de tracción como mínimo y definir el
ángulo de inclinación α, según se indica en párrafos
subsiguientes.
Desplazamiento lateral (mm)
Fu
erz
a
tota
l (k
N)
104
Fig. 7-13.Esquema del comportamiento estructural de
la placa una vez que se desarrolla la acción de campo
por tracción.
Fig. 7-14. Modelo de un muro de corte con placas de
acero según el método de las bandas.
La resistencia de diseño a corte, Vd = φ Vn, se de-
termina considerando φ=0.90 y la resistencia nominal
para el estado límite de fluencia por corte igual a:
)(2sen L tF 0.42 V cfwyn (7-1)
donde tw es el espesor del alma, Lcf es la distancia libre
entre elementos de borde vertical y α es un ángulo
definido por:
L I 360
h
A
1h t1
A 2
L t1
α tan
c
3
b
w
c
w
4 (7-2)
donde Ab es el área de HBE, Ac el área de VBE, h la
distancia entre ejes de HBE y L la distancia entre ejes
de VBE. En la Figura 7-15 se definen las variables
dimensionales utilizadas en las expresiones previas.
Fig. 7-15. Esquema de un muro de corte con la defini-
ción de las variables dimensionales.
La presencia de aberturas puede generar concentra-
ciones de tensiones y en consecuencia demandas loca-
lizadas. Es por ello que se requiere que las aberturas se
rodeen de componentes de bordes, como se indica
esquemáticamente en la Figura. 7-8. El método de las
bandas puede aplicarse también en estos casos, para lo
cual debe considerarse los elementos intermedios de
borde y representarse las bandas de tracción en cada
uno de los subpaneles en que queda dividido el muro.
Fig. 7-16. Modelación con elementos finitos de muros
de corte con placas de acero sólida y perforada (Vian
et al., 2009b).
L
Lcf
h
Espesor tw
Acción
sísmica
Tensiones
de tracción
Placa de
acero
105
El análisis estructural también puede realizarse me-
diante procedimientos más refinados, como el método
de los elementos finitos. A modo de ejemplo, la Figura
7-16 muestra modelos desarrollados por Vian et al.
(2009b), para el análisis de muros con placas de acero
sólidas y perforadas. En general, este tipo de modelos
se usan en trabajo de investigación o en casos particu-
lares que requieren una verificación precisa. A los
efectos del diseño, se pueden aplicar los procedimien-
tos simplificados descriptos previamente.
7.4 CONEXIONES Y ASPECTOS CONSTRUC-
TIVOS
La construcción de muros de corte con placas de acero
no presenta particularidades o complicaciones con
respecto a otros tipos estructurales. Sin embargo, las
conexiones entre las placas de acero y los elementos de
borde vertical y horizontal representan un aspecto im-
portante a considerar en el diseño, no solo por su fun-
ción estructural, sino también por el impacto económi-
co que puede tener en la construcción. Estas conexio-
nes se pueden realizar mediante soldaduras o pernos.
Las conexiones apernadas, si bien son siempre re-
comendables para ejecutar en obra por su rapidez,
pueden presentar desventajas en este caso particular.
Para asegurar que la placa de acero desarrolle su resis-
tencia a tracción y fluya en tracción es necesario colo-
car un gran número de pernos, lo cual puede disminuir
excesivamente la sección neta y conducir a una fractura
en la zona de la conexión. Es por esta razón, que la
conexión entre la placa y los elementos de borde se
realiza usualmente con soldadura. La Figura 7-17
muestra un detalle típico para soldar en obra la placa de
alma, utilizando para ello una placa base o auxiliar (en
inglés se denomina fish plate) que viene soldada de
taller a los elementos de borde.
Fig. 7-17. Detalle típico de conexión soldada entre los
elementos de borde y la placa de alma.
Alternativamente, la conexión entre la placa de ace-
ro y los elementos de borde puede realizarse mediante
una junta con pernos, según se indica en la Figura 7.19.
Es importante observar que, en este caso, usualmente
se requiere reforzar el borde de la placa de alma me-
diante una chapa soldada. De esta forma se logra au-
mentar la resistencia al aplastamiento en la junta, dado
que se incrementa el espesor de la placa de alma.
Fig. 7-18. Detalle de conexión apernada entre los
elementos de borde y la placa de alma.
Otro aspecto distintivo de los edificios con muros
de corte con placas de acero es la necesidad de dispo-
ner muros en direcciones ortogonales, por ejemplos en
los núcleos de circulaciones. En esos casos, es usual
que los elementos de borde vertical deban disponerse
en la intersección de dos muros de corte perpendicula-
res, con lo cual se produce una complicación construc-
tiva y de diseño. La Figura 7-19 muestra dos ejemplos
de conexión para solucionar esta dificultad. En uno de
los casos el elemento de borde vertical está formado
por un perfil I, el cual se refuerza con dos placas latera-
les soldadas para formar una sección cajón. Otra alter-
nativa es construir una sección cajón con cuatro placas
soldadas en las esquinas. En ambos casos, se disponen
placas bases en las caras laterales, a la cuales se suel-
dan las placas de alma de los muros.
Se observa en los detalles de la Figura 2-19 que la
placa de alma puede introducir esfuerzos concentrados
de flexión y corte en las caras de la sección cajón que
conforma el elemento de borde vertical (VBE). Es por
ello que, en ciertos casos, puede resultar necesario
utilizar el detalle indicado en la Figura 7-20, en donde
la placa base se prolonga hasta el centro de la sección
cajón (y se suelda al alma del perfil I) para lograr una
mejor transferencia de los esfuerzos concentrado que
induce la placa de alma del muro.
Finalmente, es importante resaltar que deben ex-
tremarse los recaudos constructivos para asegurar que
la placa de alma se coloque precisamente en el eje del
pórtico formado por los elementos de borde horizontal
Viga o columna
Chapa de acero en
eje del pórtico
Viga o columna
Chapa de acero en
eje del pórtico
Chapa refuerzo
de borde
106
y vertical. Ello es necesario para eliminar excentricida-
des accidentales que inducen esfuerzos de flexión en la
placa.
Fig. 7-19. Ejemplos de elementos de borde vertical en
la intersección de muros de corte perpendiculares.
Fig. 7-20. Detalle de un elemento de borde vertical en
la intersección de muros de corte perpendiculares,
para evitar esfuerzos concentrados.
En la base de los muros de corte debe disponerse
una viga de fundación para que la placa de alma esté
conectada en todos sus bordes y de esa forma pueda
desarrollar su resistencia. La viga de fundación puede
ser de acero o bien de hormigón armado. En este últi-
mo caso se debe diseñar un detalle adecuado que per-
mita vincular la placa de acero con la viga.
7.5 DISEÑO DE MUROS DE CORTE CON PLA-
CAS DE ACERO
7.5.1 Aspectos generales
Las especificaciones AISC 341-10 indican los reque-
rimientos para el diseño de muros de corte especiales
con placas (special, plate shear walls, SPSW). El crite-
rio de diseño se basa en que la estructura presenta una
elevada capacidad de disipación de energía a través de
la fluencia de la placa de alma y de la formación de
rótulas plásticas en los extremos de los elementos de
borde horizontal (HBE). El factor de respuesta en este
caso es R = 7.
La resistencia requerida en los elementos de borde
(HBE y HBE) y de las conexiones debe realizarse a
partir de las combinaciones de cargas reglamentarias,
que incluyen el efecto de la acción sísmica amplificada.
La acción sísmica amplificada considerando la sobre-
rresistencia estructural, Emh, debe determinarse bajo la
hipótesis de que:
la placa de alma desarrolla su resistencia esperada a
tracción con un ángulo definido por la Ecuación
7-2.
Los extremos de los elementos horizontales desa-
rrollan su resistencia esperada a flexión igual a 1.1
Ry Mp.
Las placas de acero de alma no deben considerarse
para resistir las cargas gravitatorias.
Es importante mencionar que la edición del año
2005 del ANSI/AISC 341 incluía limitaciones para la
relación L/h del panel de acero (se requería que esta
relación estuviera comprendida entre 0.8 y 2.5). Sin
embargo, este requerimiento fue eliminado de la edi-
ción 2010 a la luz de investigaciones experimentales y
analíticas recientes.
7.5.2 Elementos de borde
Las especificaciones sísmicas requieren que el momen-
to de inercia de los elementos de borde vertical respec-
to de un eje perpendicular al plano del muro, Ic, cum-
pla con la siguiente condición:
L
h t0.0031 I
4
wc (7-3)
Adicionalmente, las especificaciones indican un valor
mínimo del momento de inercia de los elementos de
borde horizontal respecto de un eje perpendicular al
plano del muro, Ib, en el caso que la placa de alma
Placa de alma
Placa de alma
VBE
Placa base
Placa de alma
Placa de alma
VBE
Placa base
Placa de alma
Placa de alma
VBE
Placa base
107
tenga espesores distintos arriba y abajo del elemento de
borde. En ese caso se debe cumplir que:
1
4
bL
h 0.0031 I ii tt (7-4)
donde ti-ti-1 representa la diferencia de espesores entre
las placas de alma vinculadas al elemento.
Bruneau et al. (2010), indican que estos requeri-
mientos no aseguran un comportamiento satisfactorio
del muro debido a que se pueden producir deformacio-
nes excesivas como resultado de la fluencia por corte
de los elementos de borde horizontal. Las investigacio-
nes en desarrollo permitirán comprobar la efectividad
de estos requerimientos.
Todos los elementos de borde vertical, horizontal e
intermedios deben cumplir con los requerimientos
indicados para miembros de ductilidad elevada.
Finalmente, se requiere que la resistencia flexional
de los elementos de borde vertical y horizontal cumpla
con la relación definida por la Ecuación 3-7, de modo
de asegurar un comportamiento de viga débil-columna
fuerte. En la evaluación de dicha relación debe obviar-
se el efecto de la placa de alma.
7.5.3 Placa de alma
La resistencia nominal de la placa de alma para el esta-
do de fluencia por corte debe determinarse con la
Ecuación 7-1. Para este estado límite se considera un
factor de resistencia =0.90.
7.5.4 Zonas protegidas
En el diseño de los muros de corte especiales con pla-
cas deben considerarse como zonas protegidas las si-
guientes:
Las placas de alma.
Los elementos de conexión entre las placas de alma
y los elementos de borde horizontal y vertical.
Las zonas de rótulas plásticas en los extremos de
los elementos de borde horizontal y vertical.
7.5.5 Conexiones
La resistencia requerida para el diseño de las conexio-
nes de la placa de alma a los elementos de borde debe
determinarse considerando que la placa desarrolla su
resistencia esperada en tracción.
Las conexiones entre los elementos de borde verti-
cal y horizontal deben cumplir todas las condiciones
exigidas para las conexiones a momento totalmente
restringidas de los pórticos no arriostrados ordinarios.
Adicionalmente, la resistencia requerida de estas cone-
xiones debe determinarse a partir del diseño por capa-
cidad, para lo cual se requiere que el efecto de la acción
sísmica incluyendo sobrerresistencia, Emh, se determine
considerando que se rotulan los elementos de borde
horizontales y que la placa de alma fluye con un ángulo
definido por la Ecuación 7-2.
La zona panel de los elementos de borde verticales
debe cumplir con los requisitos de los pórticos no
arriostrados especiales.
Se requiere que las siguientes soldaduras se consi-
deren como soldaduras de demanda crítica:
Soldaduras de ranura en empalmes de columnas.
Soldaduras en las conexiones base-columna.
Soldaduras en las conexiones entre elementos de
borde vertical y horizontal.
7.5.6 Placas de acero perforadas
En el caso de que el muro de corte incluya placas con
perforaciones circulares, éstas deben disponerse según
un patrón regular, con diámetro y separación uniforme.
Las perforaciones deben distribuirse sobre toda el área
de la placa, formando alineaciones diagonales con un
ángulo constante, como se indica en la Figura 7-4.
Los bordes de las perforaciones deben tener una ru-
gosidad superficial no mayor de 13 µm.
La resistencia de la placa de alma con perforaciones
circulares se determina con la siguiente expresión:
diag
cfwynS
0.7D-1 L tF 0.42 V (7-5)
donde D es el diámetro de las perforaciones y Sdiag es la
distancia más corta entre centros de perforaciones. La
distancia Sdiag debe ser como mínimo igual a 1.67D y la
distancia entre las primeras perforaciones y los bordes
de la placa deber ser como mínimo D y no exceder
D+0.7 Sdiag.
La rigidez de la placa de alma con perforaciones
circulares puede determinarse a partir de un espesor
efectivo, teff (menor que el real):
wt
c
r
diag
diag
eff
H
sin D N1
S
D
4-1
S
D
4-1
t
(7-6)
donde Hc es la altura libre de la columna entre alas de
las vigas, Nr es el número de filas horizontales de per-
foraciones y es el ángulo de la línea más corta entre
centros de perforaciones con la vertical. La tensión
efectiva esperada que debe considerarse para determi-
nar la sobrerresistencia estructural, Emh (ver Sección
7.5.1), es Ry Fy (1-0.7 D / Sdiag).
7.5.7 Placas de acero con perforaciones de esquina
Las especificaciones sísmicas permiten el uso de placas
de acero con perforaciones de esquina (un cuarto de
círculo), según se indica en la Figura 7-6. En este caso
se debe disponer de una planchuela de refuerzo soldada
108
al borde de la perforación (arching plate), la cual se
diseña para resistir una fuerza de tracción. Los detalles
sobre el diseño de este tipo particular de muros pueden
encontrarse en la Sección F5.7b de ANSI/AISC 341-
10.
7.6 APLICACIÓN A LA REHABILITACIÓN
ESTRUCTURAL
Los muros de corte con placas de acero representan una
alternativa ventajosa para la rehabilitación sísmica de
edificios. La incorporación de placas de alma a pórticos
existentes de acero u hormigón permite incrementar la
rigidez y resistencia de la estructura. El efecto en el
comportamiento estructural, en términos globales, es
similar al que produce la incorporación de riostras, con
la diferencia que la placa se conecta a lo largo de todo
su perímetro y no transfiere cargas concentradas en los
nudos del pórtico. El proceso constructivo se puede
realizar “en seco”, con rapidez y produciendo interfe-
rencia mínimas, en comparación con el uso de refuer-
zos de hormigón armado.
La incorporación de las placas de alma modifica el
comportamiento estructural y el estado de solicitacio-
nes en los miembros del pórtico. Es por ello que el
diseñador debe evaluar cuidadosamente las consecuen-
cias.
Un aspecto importante a considerar es la conexión
de la placa de alma. En el caso de rehabilitación de
pórticos de acero, se puede utilizar un detalle similar a
los indicados en la Figuras 7-17 y 7-18. Si la placa se
conecta a una estructura existente de hormigón armado
se deben usar pernos de anclaje o elementos similares
que permitan la vinculación con ese material. En la
Figura 7-21 se presenta una propuesta de detalle para
resolver la conexión. Sin embargo, es importante acla-
rar que no se dispone de resultados experimentales (de
acuerdo al conocimiento del autor) que validen cone-
xiones de este tipo.
Fig. 7-21. Detalle de conexión de la placa de alma a
miembros de hormigón armado.
Placa de alma
soldada en obra
Columna
o viga
de Ho Ao
existente
Perfil T con pernos
de anclaje
109
Capítulo 8
Estructuras con secciones compuestas
8.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se presentan, en forma general, los
requerimientos de diseño del reglamento ANSI/AISC
341-10 para estructuras con miembros compuestas.
Dicho reglamento agrupa a las distintas estructuras en
(i) pórticos compuestos no arriostrados, (ii) pórticos
compuestos arriostrados, y (iii) muros compuestos.
El análisis estructural de las construcciones com-
puestas se realiza usando criterios similares a los em-
pleados en construcciones de acero y hormigón arma-
do. Sin embargo, es importante destacar que las prime-
ras presentan algunos aspectos distintivos, que en cier-
tos casos deben considerarse en el análisis (especial-
mente cuando se estudia el comportamiento inelástico
de la estructura). El lector interesado en este tema pue-
de consultar la publicación de Spacone, E. y El-Tawil
(2004).
8.2 PÓRTICOS COMPUESTOS NO ARRIOS-
TRADOS
8.2.1 Tipos de pórticos
Los pórticos compuestos no arriostrados o pórticos a
momento, según el reglamento ANSI/AISC 341-10,
pueden diseñarse según cuatro tipos o categorías. En la
Tabla 8-1 se resumen las principales características de
cada uno de ellos, en cuanto al tipo de columnas, vigas
y conexiones que pueden usarse en cada caso. Es im-
portante observar que cada pórtico puede diseñarse con
ciertos tipos de miembros. En las secciones subsiguien-
tes se describen las pautas reglamentarias de diseño.
8.2.2 Pórticos compuestos ordinarios
Estos pórticos se diseñan a los efectos de desarrollar
una mínima capacidad de disipación de energía, por lo
cual las normas norteamericanas permiten su uso solo
para las categorías de diseño sísmico más bajas (recor-
dar que la categoría de diseño sísmico es una categoría
asignadas a cada estructura según su riesgo y la severi-
dad del movimiento sísmico correspondiente al sitio de
construcción).
La reglamentación no exige requerimientos particu-
lares para este tipo de pórticos, en lo que se refiere al
análisis, sistema estructural o zonas protegidas, si bien
se exige que las conexiones sean totalmente restringi-
das y cumplan con los criterios generales para cone-
xiones compuestas, descriptos en la Sección 2.8.6 de
este texto.
La diferencia entre los pórticos ordinarios, interme-
dios y especiales radica en su capacidad de disipación
de energía, según se explicó en el Capítulo 2. Estos se
diseñan con valores diferentes del factor de modifica-
ción de respuesta R, y por ende, el nivel de detalles y
verificaciones a realizar también varía en cada caso.
Tabla 8-1.Tipos de pórticos no arriostrados, según
ANSI/AISC 341-10.
Tipo Columnas Vigas Conexiones
Pórticos
compuestos
ordinarios
C-OMF
Compuestas.
Hormigón
armado.
Acero es-
tructural.
Embebida
en hormigón.
Compuesta.
Totalmente
restringidas
(FR)
Pórticos
compuestos
intermedios
C-IMF
Compuestas.
Hormigón
armado.
Acero es-
tructural.
Embebida
en hormigón.
Compuesta.
Totalmente
restringidas
(FR)
Pórticos
compuestos
especiales
C-SMF
Compuestas.
Hormigón
armado.
Acero es-
tructural.
Embebida
en hormigón.
Compuesta.
Totalmente
restringidas
(FR)
Pórticos
compuestos
parcialmente
restringidos
C-PRMF
Acero es-
tructural.
Compuesta. Parcialmente
restringidas
(PR)
Cuando se usan miembros de hormigón armado,
por ejemplo para las columnas, los mismos deben dise-
ñarse de acuerdo con el reglamento ACI 318, sin con-
siderar los requerimientos del Capítulo 21 (aplicable a
estructuras sismorresistentes de hormigón armado).
8.2.3 Pórticos compuestos intermedios
Los pórticos compuestos intermedios se diseñan con el
objetivo de disponer de una limitada capacidad de
deformación inelástica. Es por ello que se incluyen
requerimientos adicionales (en comparación con los
pórticos ordinarios) para asegurar la fluencia por fle-
xión en las vigas y columnas, y la fluencia por corte en
las zonas panel de las columnas.
Las vigas, ya sean de acero estructural o compues-
tas, deben satisfacer los requerimientos para miembros
de ductilidad limitada y deben arriostrarse lateralmente,
especialmente donde se introducen cargas concentra-
das, en cambios de sección y en los lugares donde se
espera la formación de rótulas plásticas. Las zonas de
110
los extremos de las vigas, donde se pueden producir
deformaciones inelásticas, deben considerarse como
zonas protegidas.
Las conexiones deben ser totalmente restringidas y
cumplir con los criterios generales para conexiones
compuestas, descriptos en la Sección 2.8.6 de este
texto. Adicionalmente se requiere que:
La conexión debe ser capaz de acomodar un ángulo
de distorsión de piso de 0.02 rad, como mínimo.
La resistencia flexional de la conexión, determinada
en la cara de la columna, debe ser igual o mayor
que 0.8 Mp (donde Mp es el momento nominal de la
viga).
La resistencia requerida a corte de la conexión se
debe determinar a partir de las combinaciones de
carga que incluyan las cargas sísmicas amplificadas
(es decir, con efecto de sobrerresistencia). En esta
determinación, el el efecto de la acción sísmica am-
plificada se calcula como:
Emh = 2 (1.1 Mp, exp) / Lh (8-1)
donde Mp, exp es la resistencia flexional esperada de
la viga (la cual puede determinarse como Ry Mp) y
Lh es la distancia entre rótulas plásticas de la viga.
Las soldaduras de ranura, en caso de usarse en
empalme de columnas, deben ser de penetración
completa. Si se emplea otro tipo de soldadura debe
asegurarse que la resistencia requerida en la cone-
xión es por lo menos igual a la resistencia nominal
de la menor de las columnas a empalmar. La resis-
tencia nominal a corte del empalme debe ser como
mínimo igual a:
Emh = ∑ Mpcc / H (8-2)
donde ∑ Mpcc es la suma de los momentos nomina-
les de las columnas por encima y por debajo del
empalme y H es la altura del piso.
8.2.4 Pórticos compuestos especiales
Los pórticos compuestos especiales deben disponer de
una significativa capacidad deformación inelástica,
para lo cual se aplica el criterio de diseño de “columna
fuerte-viga débil”. De esta forma se busca la formación
de rótulas plásticas en vigas y eventualmente en la base
de las columnas. Desde el punto de vista reglamentario,
esta condición se cumple mediante el requisito de que
la capacidad flexional de las columnas sea mayor que
la de las vigas:
∑M*pcc / ∑M*p, exp > 1.0 (8-3)
donde ∑M*pcc es la suma de los momentos nominales
arriba y debajo del nudo, considerando la reducción por
carga axial, y ∑M*p, exp es la suma de la resistencia
flexional esperada en las rótulas plásticas de las vigas.
La resistencia de las vigas puede estimarse como:
∑M*p, exp = ∑ (1.1 Mp,exp + Muv) (8-4)
donde Mp,exp es el momento de plastificación esperado
y Muv es el momento debido a la amplificación de corte
desde la rótula plástica hasta el eje de la columna.
Las vigas deben satisfacer los requerimientos para
miembros de alta ductilidad y deben arriostrarse late-
ralmente, especialmente donde se introducen cargas
concentradas, en cambios de sección y en los lugares
donde se espera la formación de rótulas plásticas. Las
zonas de los extremos de las vigas, donde se pueden
producir deformaciones inelásticas, deben considerarse
como zonas protegidas.
Las columnas compuestas con conexiones no
arriostradas deben contar con elementos que restrinjan
lateralmente ambas alas de la columna. Estos elemen-
tos deben diseñarse para resistir una fuerza igual al 2%
de la resistencia del ala de la viga, esto es 0.02 Fy bf tbf.
Los miembros compuestos de pórticos especiales
deben cumplir con las condiciones requeridas para
miembros de alta ductilidad. Además, para el caso de
vigas compuestas embebidas en hormigón se requiere
que la distancia desde la fibra de hormigón más com-
primido hasta el eje neutro, YPNA, cumpla la siguiente
condición:
E
F
d
y17001
Y Y con
PNA
(8-5)
donde Ycon es la distancia desde la parte superior de la
viga de acero a la parte superior del hormigón, d es la
altura total de la viga compuesta, E es el módulo de
elasticidad del acero y Fy la tensión de fluencia. Esta
condición asegura que la deformación en la fibra ex-
trema del acero será al menos 5 veces la deformación
de fluencia antes de que el hormigón desarrolle una
deformación máxima en compresión de 0.003.
Las conexiones de los pórticos especiales deben ser
totalmente restringidas. Cuando se usan juntas solda-
das, las mismas deben considerarse como soldaduras
de demanda crítica en los siguientes casos:
Soldaduras de ranura en empalmes de columnas.
Soldaduras en las bases de las columnas.
Soldaduras de ranura con penetración completa en
conexiones de ala y alma de vigas a columnas, pla-
cas de continuidad y placas de corte.
La conexión debe ser capaz de acomodar un ángulo
de distorsión de piso de 0.04 rad, como mínimo, y la
resistencia flexional de la conexión, determinada en la
cara de la columna, debe ser igual o mayor que 0.8 Mp
para ese nivel de distorsión de piso. El cumplimiento
de estos requerimientos debe demostrarse mediante
criterios similares a los definidos para la calificación de
conexiones en estructuras de acero. También deben
cumplirse los requerimientos expresados por las Ecua-
ciones 8-1 y 8-2, para pórticos intermedios, con rela-
ción a la resistencia a corte de las conexiones y empal-
mes de columnas.
111
8.2.5 Conexiones para pórticos compuestos
El reglamento ANSI/AISC 341-10, en sus comentarios,
describe algunas conexiones típicas que pueden usarse
en los pórticos compuestos especiales. La Figura 8-1
muestra una conexión entre una viga de acero y una
columna compuesta formada por un perfil I embebido
en hormigón armado. En este caso la viga se interrum-
pe en el nudo y se suelda con cordones de penetración
completa a las alas del perfil de la columna. Es impor-
tante destacar que se incluyen las placas de apoyo late-
ral soldadas entre las alas de la viga. Debe notarse que
en este detalle se requiere la realización de soldadura
en obra, para conectar la viga con el perfil I.
Fig. 8-1. Detalle de la conexión una viga de acero y
una columna compuesta embebida.
La Figura 8-2 presenta otro ejemplo, correspon-
diente al caso de una columna compuesta formada por
un tubo de acero, de sección cuadrada, relleno de hor-
migón. La viga se conecta a las dos caras laterales del
tubo mediante soldadura de contorno con penetración
completa. Los resultados experimentales confirman
que esta conexión es capaz resistir distorsiones de piso
mayores a 0.04, como se requiere para el caso de pórti-
cos compuestos especiales.
Ricles et al. (2004) desarrollaron un programa ex-
perimental para estudiar el comportamiento de varias
conexiones para pórticos con columnas compuestas
rellenas y vigas de acero estructural. La Figura 8-3
muestra una de las alternativas que fueron ensayadas,
demostrándose así su adecuado comportamiento estruc-
tural. En esta conexión la viga se interrumpe en la zona
del nudo y se conecta a la columna, formada por un
tubo cuadrado relleno de hormigón, mediante 4 piezas
en forma de T (obtenidas por corte de un perfil W). Las
piezas en T se sueldan a los extremos de la viga en
taller y se conectan a la columna mediante pernos pa-
santes que permiten transferir el momento flector y la
fuerza de corte actuante en el extremo de la viga. Se-
gún los autores que desarrollaron la conexión, se logra
así activar una biela de compresión en el hormigón
confinado de la zona del nudo. En el ejemplo de la
figura se usaron 12 pernos, para cuya colocación en
obra se dejaron tubos de PVC insertos en la columna
previamente al hormigonado de la misma.
Fig. 8-2. Conexión de una viga de acero con una co-
lumna compuesta rellena.
Fig. 8-3. Conexión de una viga de acero con una co-
lumna compuesta rellena, con interrupción de la conti-
nuidad de la viga.
Columnacompuesta
embebida
Viga deacero
Refuerzo longitudinal
PLANTA
VISTA LATERAL
Placa lateral
pc
Viga deacero
Columnacompuesta
rellena
PLANTA
VISTALATERAL
T cortada de un
perfil W
PLANTA
VISTA LATERAL
Viga deacero
Columnacompuesta
rellena
112
En el caso de conexiones con columnas de hormi-
gón armado, es usual que la viga de acero atraviese en
forma continua el nudo, con lo cual se simplifica la
construcción y se evita el uso de soldadura en obra. La
Figura 2-49 muestra un ejemplo de este tipo de cone-
xiones. Alternativamente, puede usarse una banda de
acero que rodea completamente la columna en la zona
del nudo, como se ilustra en la Figura 8-4. Este detalle
presenta la ventaja de proporcionar confinamiento al
hormigón en la zona del nudo y de mejorar la capaci-
dad de la conexión de movilizar la resistencia a corte
del hormigón. La colocación de cuatro rigidizadores
soldados a las alas de la viga y a la banda de acero,
mejora la capacidad de transferir momento entre la viga
y la columna. Con esta conexión se logra una solución
estructural muy conveniente, si bien presenta una ma-
yor complejidad desde el punto de vista constructivo
por la fabricación y montaje de la banda de acero que
rodea el nudo y los rigidizadores.
Fig. 8-4. Conexión viga de acero-columna de hormi-
gón armado con banda de acero que rodea completa-
mente al nudo.
8.2.6 Pórticos compuestos parcialmente restringi-
dos
Estos pórticos están formados por columnas de acero y
vigas compuestas, que se vinculan entre sí mediante
conexiones parcialmente restringidas. La resistencia
flexional en el nudo del pórtico se desarrolla mediante
una cupla formada por la fuerza axial que resiste el ala
inferior de la viga (conectada por una junta soldada o
apernada a la columna) y la fuerza generada en el re-
fuerzo de la losa de hormigón armado, ver Figura 8-5.
Los pórticos compuestos parcialmente restringidos
se diseñan de modo de contar con una significativa
capacidad de deformación inelástica, la cual se desarro-
lla por fluencia de los componentes dúctiles de la co-
nexión. Se permite la fluencia limitada del acero en
otras zonas, tales como las bases de las columnas.
La flexibilidad de la conexión, por ser parcialmente
restringida, es un aspecto importante que influyen en el
comportamiento estructural. Es por ello que debe ser
considerada en el modelo de análisis a los efectos de
calcular las propiedades dinámicas, la resistencia re-
querida y los desplazamientos de estos pórticos. La
rigidez de la viga puede calcularse mediante el momen-
to de inercia efectivo.
Fig. 8-5. Conexión parcialmente restringida entre una
columna de acero estructural y una viga compuesta.
Los pórticos compuestos parcialmente restringidos
incialmente se usaron en zonas de moderada actividad
sísmica (en el Este de Estados Unidos), y luego su
aplicación se difundió a zonas de alta sismicidad. Los
resultados analíticos y experimentales han mostrado
que el efecto de la acción sísmicas pueden ser menor en
estos pórticos compuestos que en los pórticos totalmen-
te restringidos. Ello se debe al incremento del periodo
de vibración de la estructura, como resultado de la
fluencia en la conexión, y a un comportamiento histeré-
tico estable.
Las columnas y vigas del pórtico deben cumplir con
los requerimientos para miembros de alta ductilidad.
Adicionalmente, se requiere que las vigas no sean em-
Refuerzo longitudinal
Banda de acero
alrededor del
nudo
Columna
Viga deacero
PLANTA
VISTA LATERAL
Rigidizador
Columna
de acero
Vigacompuesta
Ángulo de
asiento
PLANTA
VISTALATERAL
Armadura losa
113
bebidas y que se diseñen como totalmente compuestas.
Se debe disponer una losa maciza en una zona de
0.15m alrededor de la columna de acero en la dirección
de transferencia de momento, como se ilustra en la
Figura 8-6. De esta forma se busca mejorar la capaci-
dad para transferir fuerzas por aplastamiento del hor-
migón sobre las caras de la columna. Este requerimien-
to podría evitarse si se utiliza otro dispositivo para
asegurar la transferencia de fuerzas, por ejemplo, co-
nectando parte del refuerzo longitudinal de la losa
directamente a la columna.
De acuerdo con el reglamento ANSI/AISC 341-10,
deben considerarse como soldaduras de demanda críti-
ca las soldaduras de ranura en empalmes de columnas y
las soldaduras en las bases de las columnas. Además,
se requiere el cumplimiento de las siguientes condicio-
nes:
La conexión debe ser capaz de acomodar un ángulo
de distorsión de piso de 0.02 rad, como mínimo.
La resistencia flexional de la conexión, determinada
en la cara de la columna, debe ser igual o mayor
que 0.5 Mp (donde Mp es el momento nominal de la
viga).
Fig. 8-6. Condición de losa maciza alrededor de la
columna de acero (por simplicidad no se muestran los
componentes de la conexión viga-columna).
8.3 PÓRTICOS COMPUESTOS ARRIOSTRA-
DOS
8.3.1 Tipos de pórticos
Los pórticos compuestos arriostrados pueden diseñarse
según tres tipos distintos. En la Tabla 8-2 se indican los
tipos de pórticos considerados por el reglamento AN-
SI/AISC 341-10 y los miembros estructurales que pue-
den utilizarse en cada caso para columnas, vigas y
riostras.
Los aspectos generales descriptos en el Capítulo 4
para pórticos arriostrados de acero, en lo que respecta
al comportamiento de riostras, disposición de las mis-
mas, ventajas estructurales, etc., son aplicables también
a los pórticos compuestos arriostrados.
8.3.2 Pórticos compuestos ordinarios arriostrados
Los pórticos compuestos ordinarios arriostrados se
diseñan para desarrollar ductilidad limitada, en forma
análoga a los pórticos ordinarios arriostrados concén-
tricamente con miembros de acero estructural. Es por
ello que los requisitos reglamentarios para estos últi-
mos (descriptos en la Sección 4.6), se aplican también
para los primeros. Sin embargo, debe destacarse que
los pórticos compuestos ordinarios arriostrados solo
pueden usarse para ciertas categorías sísmicas, mien-
tras que los de acero puede emplearse en caso de cate-
gorías sísmicas más altas.
Si bien las conexiones en estos pórticos son concén-
tricas, se admiten pequeñas excentricidades, cuya di-
mensión sea menor de la altura de la viga. El momento
resultante de esta excentricidad, en caso de existir, debe
considerarse en el diseño de los miembros.
Tabla 8-2.Tipos de pórticos arriostrados, según
ANSI/AISC 341-10.
Tipo Columnas Vigas Riostras
Pórticos com-
puestos ordina-
rios arriostrados
concéntricamen-
te
C-OBF
Acero
estructural.
Compues-
tas (embe-
bidas o
rellenas).
Hormigón
armado.
Acero
estructural.
Embebida
en hormi-
gón.
Compues-
ta.
Acero
estructural.
Compues-
tas (relle-
nas).
Pórticos com-
puestos especia-
les arriostrados
concéntricamen-
te
C-SCBF
Compues-
tas (embe-
bidas o
rellenas).
Acero
estructural.
Compues-
ta.
Acero
estructural.
Compues-
tas (relle-
nas).
Pórticos com-
puestos arrios-
trados excéntri-
camente (*)
C-EBF
Compues-
tas (embe-
bidas o
rellenas).
Acero
estructural.
Compues-
ta.
Acero
estructural.
Compues-
tas (relle-
nas).
(*) Los enlaces deben ser miembros de acero estructural.
8.3.3 Pórticos compuestos especiales arriostrados
concéntricamente
Los pórticos compuestos especiales arriostrados deben
contar con conexiones concéntricas, si bien se admiten
excentricidades cuya dimensión sea menor de la altura
de la viga. El efecto del momento resultante de la ex-
centricidad debe considerarse en el diseño (al igual que
en el caso de los pórticos ordinarios).
Estos pórticos se diseñan de modo de disponer de
una elevada capacidad de deformación inelástica, prin-
cipalmente a través de la fluencia de las riostras en
tracción y del pandeo de las riostras comprimidas. Los
valores del factor de modificación de respuesta R y del
factor de amplificación de desplazamientos Cd son
similares a los correspondientes a los pórticos especia-
les arriostrados de acero estructural.
Los miembros estructurales deben cumplir con los
requerimientos para miembros de alta ductilidad y las
0.15 m
mín.Losa
Viga
0.15 m
mín.
114
riostras, en particular, deben verificar las condiciones
exigidas para las riostras de pórticos especiales de
acero (ver Capitulo 4), si bien en este caso no se consi-
deran zonas protegidas. Las riostras pueden ser miem-
bros de acero estructural o miembros compuestos relle-
nos. Los resultados experimentales indican que los
tubos rellenos de acero contribuyen eficientemente para
rigidizar las paredes del tubo y disminuir o evitar el
efecto del pandeo local de las mismas.
Las conexiones de estos pórticos deben diseñarse
considerando que es necesario evitar fallas prematuras
antes de que se desarrolle completamente la resistencia
de las riostras, tanto en compresión como en tracción.
Se requiere que las conexiones verifiquen algunos de
los dos criterios siguientes:
La conexión es simple y debe contar con una capa-
cidad de rotación de 0.025 rad, como mínimo, o
La conexión es totalmente restringidas y debe cum-
plir con los requerimientos de resistencia de corte
indicados para pórticos compuestos intermedios (no
arriostrados, ver Ecuación 8.1). Además, la resis-
tencia flexional requerida debe determinarse me-
diante análisis, en combinación con la resistencia
requerida de las conexiones de la riostra y de la vi-
ga.
Estos dos criterios implican que la conexión o bien se
diseña para acomodar la rotación del extremo de la
riostra o, caso contrario, debe tener la rigidez y resis-
tencia necesarias para soportar las solicitaciones que se
originan cuando se forman rótulas plástica en los ex-
tremos de la riostra.
8.3.4 Conexiones para pórticos compuestos arrios-
trados
Como se mencionó previamente, las conexiones com-
puestas presenta una amplia gama de alternativas, de-
pendiendo de las características de los miembros es-
tructurales que se vinculan (los cuales pueden ser de
acero estructural, compuestos o de hormigón armado).
Se presentan en esta sección algunos ejemplos usuales,
tomados de los comentarios del reglamento AN-
SI/AISC 341-10.
La Figura 8-7 muestra, a modo de ejemplo, la co-
nexión de un pórtico compuesto arriostrado, en el cual
la columna está formada por perfil de acero embebido
en hormigón armado (obsérvese el refuerzo longitudi-
nal y transversal en la columna y la presencia de conec-
tores corte que vinculan el perfil con el hormigón).La
viga es un perfil I de acero estructural y las riostras
están formadas por dos angulares dispuestos en forma
de “T”. La viga se suelda con juntas de penetración
completa al ala de la columna y se usan dos chapas de
nudo (soldadas a la viga y a la columna) para conectar
las riostras.
Fig. 8-7. Conexión compuesta para las riostras y viga
de un pórtico arriostrado.
La Figura 8-8 muestra la conexión de una columna
compuesta rellena con dos riostras, formadas por perfi-
les H, y una viga de acero estructural. La conexión de
los miembros estructurales se realiza mediante dos
chapas de acero que atraviesan el tubo, de sección
cuadrada, y se sueldan en las dos caras opuestas. Estas
chapas permiten conectar las riostras mediante juntas
apernadas, mientras que la viga se conecta con el exte-
rior del tubo a través de otras dos chapas.
Las conexiones que se ilustran en las figuras pre-
vias representan dos ejemplos que pueden servir de
guía. Sin embargo, en cada caso, el ingeniero estructu-
ral deberá adoptar las conexiones que resulten conve-
nientes desde el punto de vista estructural, constructivo
y económico, respetando siempre los requerimientos
reglamentarios vigentes.
cp
Columna compuesta
embebida
Perno de corteRiostra de acero
Viga
PLANTA
VISTALATERAL
115
Fig. 8-8. Detalle de una conexión de riostras y viga a
una columna compuesta rellena.
8.3.5 Pórticos compuestos arriostrados excéntri-
camente
Los pórticos compuestos con arriostramientos excéntri-
cos se caracterizan porque un extremo de cada riostra
interseca a la viga en forma excéntrica, generando así
un enlace (link) de longitud e donde se desarrollan
elevadas fuerzas de corte y momentos flectores. El
enlace debe ser un miembro de acero estructural. Los
aspectos generales del comportamiento estructural
coinciden con los descriptos en el Capítulo 5 para pór-
ticos arriostrados excéntricamente de acero y, por lo
tanto no se repite su presentación para el caso de cons-
trucciones compuestas.
Estos pórticos se diseñan para disponer de una ele-
vada capacidad de deformación inelástica, como resul-
tado de la fluencia por corte y flexión en la zona del
enlace. Los requerimientos reglamentarios, relaciona-
dos con el análisis estructural, diseño de miembros y
conexiones, son análogos a los correspondientes a
pórticos arriostrados excéntricamente de acero. Adicio-
nalmente, en las conexiones en que una riostra se vin-
cula a ambos miembros del nudo viga-columna, se
requiere que las conexiones verifiquen algunos de los
dos criterios siguientes:
La conexión es simple y debe contar con una capa-
cidad de rotación de 0.025 rad, como mínimo, o
La conexión es totalmente restringidas y debe cum-
plir con los requerimientos de resistencia de corte
indicados para pórticos compuestos intermedios (no
arriostrados, ver Ecuación 8.1). Además, la resis-
tencia flexional requerida debe determinarse me-
diante análisis, en combinación con la resistencia
requerida de las conexiones de la riostra y de la vi-
ga.
Las conexiones en la zona del enlace representan un
aspecto particular de este tipo de pórticos. Como se
mencionó para otras estructuras compuestas, se presen-
tan diversas alternativas, dependiendo del tipo de
miembros (acero estructural o miembros compuestos)
que se conectan. La Figura 8-9 muestra un ejemplo de
conexión para el caso de que la columna sea un miem-
bro compuesto embebido y que el enlace se ubique en
un extremo de la viga. En este ejemplo, la viga es con-
tinua a través del nudo, y el perfil de acero embebido
de la columna se suelda a las alas de la viga. Se dispo-
ne en las caras del nudo placas laterales (con la función
estructural y constructiva descripta previamente para
otras conexiones).
Fig. 8-9. Ejemplo de conexión del enlace de un pórtico
compuesto arriostrado excéntricamente.
8.4 MUROS DE CORTE COMPUESTOS
8.4.1 Tipos de muros
La construcción compuesta, para el caso de muros,
permite distintas alternativas según la forma en que se
combine hormigón, placas de acero y elementos de
acero estructural embebidos. Los muros compuestos se
Riostra de acero
(perfil H)
Columna
compuesta rellenaPLANTA
VISTA
LATERAL
Viga
eLongitud de enlace
Viga con rigidizadores
(continua a través del nudo)
RiostraColumna
compuesta
embebida
Placa lateral
116
pueden clasificar en dos grupos principales. El primero
comprende los muros de corte de hormigón armado
que incorporan elementos de acero estructural embebi-
dos, usualmente en los bordes del muro, para formar
así un miembro compuesto. Este tipo de muros se de-
nominan muros de corte compuestos y se pueden dise-
ñar, como ocurre con otras estructuras de acero y com-
puestas, considerando dos categorías: ordinarios y
especiales. La Figura 8-10 muestra dos ejemplos de
este tipo de muros, en los cuales se incorporan perfiles
de acero; en un caso la sección transversal del muro es
rectangular y en el otro se incluyen ensanchamientos en
los bordes, con lo cual se puede aumentar la rigidez y
resistencia del muro.
Fig. 8-10. Muros de hormigón armado con elemento
compuestos en los bordes (a) muro de sección rectan-
gular, y (b) muro con ensanchamiento de bordes.
El segundo grupo incluye los muros con placas de
acero embebidas en hormigón armado o muros con
placas de acero rellenos de hormigón, los cuales incor-
poran elementos de borde compuestos o de acero es-
tructural. La Figura 8-11 grafica dos casos de muros
con placas de acero embebidas. En un caso, el muro
tiene elementos de borde formados por un perfil de
acero estructural, mientras que en el otro se usa un
perfil embebido como elemento de borde. Es importan-
te destacar el uso de conectores de corte para asegurar
el desarrollo de la acción compuesta entre la placa de
acero y el hormigón armado en el cual se encuentra
embebida.
Otra alternativa dentro del grupo de muros com-
puestos con placas de acero es utilizar dos o más placas
para formar secciones compuestas rellenas. En la Figu-
ra 8-12 (a) se representa el caso de un muro de sección
rectangular con placas de acero y relleno de hormigón
con refuerzo en forma de malla de acero. La 8-12 (b)
muestra otro ejemplo, representado por una sección
compuesta rellena con hormigón armado, en la cual los
elementos de borde son de hormigón armado, en lugar
de placas de acero como en el caso anterior.
Fig. 8-11. Ejemplos de muros de corte con placas de
acero rigidizados con hormigón (a) con miembro de
borde de acero, y (b) con miembros compuestos embe-
bidos en los bordes.
Fig. 8-12.Ejemplos de secciones típicas de (a) muro de
corte relleno de hormigón y (b) muro relleno con ele-
mentos de borde de hormigón armado.
La información experimental disponible actualmen-
te sobre el comportamiento de muros compuestos con
placas de acero es limitada y se vincula, principalmen-
te, con los tipos de secciones ilustrados en las Figuras
8-11 y 8-12. Su aplicación resulta más efectiva en los
casos de muros sometidos a fuerzas de corte elevadas,
en donde el uso de muros tradicionales de hormigón
armado requeriría espesores muy grandes. El desarrollo
de la acción compuesta permite en este caso disminuir
el espesor del muro, por el aporte de la o las placas de
acero, mientras que el hormigón ayuda a controlar los
efectos del pandeo de las placas. Este tipo de muros,
por sus características, se ha utilizado principalmente
para estructuras nucleares.
Desde el punto de vista reglamentario (ver AN-
SI/AISC 341-10) se consideran tres clases de muros
compuestos, según se resumen en la Tabla 8.3.
(a)
h
(b)
hh
h
(a)
(b)
(a)
(b)
117
Tabla 8-3.Tipos de muros compuestos, según AN-
SI/AISC 341-10.
Tipo Muro Elementos
de borde
Vigas de
acople
Muros de corte
compuestos
ordinarios
C-OSW
Hormigón
armado con
elementos
de acero
estructural
Acero es-
tructural.
Sección
compuesta.
Acero es-
tructural.
Compuestas
Muros de
corte com-
puestos espe-
ciales
C-SSW
Hormigón
armado con
elementos
de acero
estructural
Acero es-
tructural.
Sección
compuesta.
Acero es-
tructural.
Compuestas
Muros com-
puestos con
placas de
acero
C-PSW
Placas de
acero em-
bebidas
Placas con
relleno de
hormigón
Acero es-
tructural.
Sección
compuesta.
(*)
(*) En este caso, el reglamento no incluye ninguna refe-
rencia o requerimiento para las vigas de acoplamiento.
8.4.2 Muros de corte compuestos ordinarios
Los muros de corte compuestos ordinarios son estruc-
turas que se diseñan para disponer de una capacidad
limitada de deformación inelástica a través de la fluen-
cia en el muro y de los elementos compuestos y de
acero. En el caso particular de muros compuestos aco-
plados se permite la fluencia en las vigas de acople en
todos los niveles de la construcción. Estas vigas se
comportan en forma análoga a los enlaces de los pórti-
cos arriostrados excéntricamente.
Los muros de hormigón armado deben diseñarse de
acuerdo con los requisitos del reglamento ACI 318, sin
considerar el Capítulo 21 del mismo (aplicable a es-
tructuras sismorresistentes).
El análisis estructural debe realizarse considerando
algunos aspectos distintivos de estas estructuras, tales
como:
La rigidez de muros y vigas de acople compuestas
debe definirse a partir de la sección efectiva sin fi-
surar (ver ACI 318, Capítulo 10).
Los elementos de borde formados por perfiles de
acero embebidos en hormigón deben representarse
mediante una sección transformada de hormigón
con propiedades elásticas.
La flexibilidad de las conexiones muro-viga de
acople, como así también el efecto de las distorsio-
nes de corte debe incluirse en el análisis.
En el caso de muros compuestos acoplados se per-
mite una redistribución de fuerzas en las vigas de aco-
ple, hacia los pisos adyacentes. Sin embargo, el corte
en una viga individual no debe reducirse en más del
20% y la suma las fuerzas de corte en todas las vigas
de acople debe ser mayor o igual que la suma de las
fuerzas calculadas elásticamente.
La resistencia axial requerida de los elementos de
borde puede determinarse bajo la consideración de que
la fuerza de corte es resistida por el muro de hormigón
armado mientras que las cargas gravitatorias y el mo-
mento de vuelco son resistidos por los elementos de
borde. Es importante mencionar que, este criterio sim-
plificado que define el reglamento ANSI/AISC 341-10,
no es adecuado para determinar la resistencia flexional
del muro, dado que desprecia el aporte del hormigón
armado. De modo que la capacidad real del muro es
mayor que la determinada con este criterio.
Cuando se emplean muros compuestos acoplados,
el diseño de la viga de acople es una aspecto de signifi-
cativa importancia para asegurar un adecuado compor-
tamiento estructural. El reglamento ANSI/AISC 341-
10 distingue dos casos: vigas de acople de acero o
compuestas.
a. Vigas de acople de acero:
Las vigas deben cumplir con los requerimientos de
miembros de ductilidad moderada. La resistencia a
corte esperada, Vn, debe determinarse con la si-
guiente expresión:
py
py
n V RM R 2
V g
(8-6)
donde g es la longitud libre de la viga de acople y
Vp = 0.6 Fy Atw (resistencia a corte nominal de la
viga).
b. Vigas de acople compuestas:
La viga debe tener una conexión con el muro que
asegure el desarrollo de la resistencia a corte espe-
rada, la cual se determina como:
comp
exp p,
n V M 2
V g
(8-7)
donde Mp,exp es el momento flector esperado de la
viga compuesta, el cual se determina con el método
de las tensiones plásticas o de compatibilidad de de-
formaciones y debe incluir un valor adecuado del
factor Ry. La resistencia a corte esperada de la viga
compuesta, Vcomp, se calcula como (unidades siste-
ma internacional):
s
dFAdbf166.0VR V
cysrs
cwc
´
cpyn (8-8)
donde As es el área del refuerzo transversal (en
mm2), con tensión mínima de fluencia igual a Fysr
(en MPa), bwc y dc son el ancho y la altura, respecti-
vamente, de la sección compuesta de hormigón (en
mm), s es la separación del refuerzo transversal (en
mm) y f´c es la resistencia a compresión del hormi-
gón.
El detalle de la conexión de la viga de acople con el
muro depende de las características de ambos miem-
bros. En el caso de que el muro incorpore en sus bordes
elementos de acero, la viga se puede vincular a los
mismos mediante una conexión a momento, como se
indica en la Figura 8-13. La fuerza de corte actuante en
118
la viga puede transferirse embebiendo el extremo de la
misma una longitud adecuada para tal fin (como se
ilustra en la figura) o también mediante una junta a
corte en el alma de la viga.
Fig. 8-13. Viga de acople de acero conectada a un
elemento de acero de borde con conexión de momento.
Fig. 8-14. Viga de acople de acero embebida en el
muro.
Cuando el muro es de hormigón armado resulta ne-
cesario embeber los extremos de la viga de acero una
longitud suficiente para asegurar que la misma puede
desarrollar su capacidad resistente (esta longitud puede
calcularse con el criterio indicado en la Sección H4.5b
del ANSI/AISC 341-10). En la Figura 8-14 se muestra
un ejemplo de una viga de acople embebida en el hor-
migón y con conectores de corte para asegurar la ade-
cuada vinculación entre ambos materiales. En este caso
la columna que se encuentra embebida en el muro
cumple solo funciones constructivas, ya que se utiliza a
los efectos del montaje de los miembros de acero, hasta
que el hormigón del muro endurece y desarrolla su
resistencia.
8.4.3 Muros de corte compuestos especiales
Los muros compuestos especiales son similares a los
descriptos en la sección anterior, con la diferencia que
se diseñan para desarrollar una significativa capacidad
de deformación inelástica. Es por ello que los muros de
hormigón armado deben diseñarse de acuerdo con los
requisitos del reglamento ACI 318, incluido el Capítulo
21 para estructuras sismorresistentes. Los elementos de
borde del muro, ya sean de acero o miembros com-
puestos, deben diseñarse para experimentar deforma-
ciones inelásticas por efecto de las fuerzas axiales.
El análisis estructural debe considerar los siguientes
aspectos:
La rigidez de muros y vigas de acople compuestas
debe definirse a partir de la sección efectiva fisura-
da (ver ACI 318, Capítulo 10).
Los elementos de borde formados por perfiles de
acero embebidos en hormigón deben representarse
mediante una sección transformada de hormigón
con propiedades elásticas.
La flexibilidad de las conexiones muro-viga de
acople, como así también el efecto de las distorsio-
nes de corte, deben incluirse en el análisis estructu-
ral.
Los miembros de acero deben considerarse como
miembros de alta ductilidad
En el caso de muros acoplados, las vigas de acople
deben disipar energía por fluencia en flexión o corte,
preferentemente en todos los niveles de la estructura;
también se admite la formación de rótulas plásticas en
la base de los muros. Las conexiones de las vigas de
acople y los muros deben diseñarse considerando la
resistencia requerida que se origina cuando la viga
desarrolla su capacidad resistente, incluido los efectos
de sobrerresistencia. Las vigas de acople deben consi-
derarse como zonas protegidas, si bien se permite la
realización de soldaduras para colocar rigidizadores.
Los requerimientos reglamentarios para las vigas de
acople son similares a los descriptos para el caso de
muros compuestos ordinarios, si bien se incluyen algu-
nas condiciones adicionales para garantizar una ade-
cuada ductilidad. En el caso particular de vigas de
acople compuestas, la resistencia a corte esperada se
calcula como (en lugar de la Ecuación 8-8):
s
dFAdbf166.0 56.1VR 1.1 V
cysrs
cwc
´
cpyn
(8-9)
En esta ecuación se incluye el factor 1.1 para conside-
rar el aumento de resistencia debido al endurecimiento
Conexión amomento
Placa de
extremo
Longitud embebida provee
resisencia a corte
Conectores de
corte s/cálculo
Muro de corte
(no se muestra el refuerzo)
Conectores de
corte s/cálculo
Conexión a
corte
Placa deextremo
Longitud embebida provee
resisencia a momento
Muro de corte
(no se muestra el refuerzo)
119
por deformación.
8.4.4 Muros compuesto con placas de acero
Los muros de corte con placas de acero se diseñan para
disponer de una significativa capacidad de deformación
inelástica, a través de la fluencia de las placas de alma.
Los elementos de borde del muro se diseñan para per-
manecer esencialmente en rango elástico, con excep-
ción de la formación de rótulas plásticas en los elemen-
tos de borde horizontales. Es por ello que este tipo de
estructuras son convenientes de usar en casos de muros
sometidos a fuerzas de corte elevadas.
La presencia de aberturas, para puertas y ventas,
puede afectar significativamente el comportamiento de
los muros compuestos con placas de acero. Por esta
razón, se requiere considerar las aberturas en el análisis
estructural y evaluar cuidadosamente los requerimien-
tos de resistencia a corte y flexión en los muros y vigas
adyacentes a las aberturas.
El reglamento ANSI/AISC 341-10 presenta una se-
rie de requerimientos para los muros compuestos que
son iguales a los correspondientes a los muros especia-
les con placas de acero (ver Capítulo 7 de esta publica-
ción). Adicionalmente, se agregan otros requisitos
particulares que se discuten en esta sección.
El espesor de las placas de acero debe ser como
máximo 9.5 mm (3/8”), mientras que el espesor del
panel de hormigón deber ser como mínimo 100 mm,
cuando el hormigón se coloca a ambos lados de la
placa de acero, y de 200 mm cuando se coloca en un
solo lado de la placa. Se deben disponer armaduras de
refuerzo (vertical y horizontal) con una cuantía mínima
del 0.0025 y separación máxima de las barras de 450
mm.
La resistencia de diseño para el estado límite de
fluencia por corte se determina como:
Vn = 0.6 Asp Fy (8-10)
donde Asp es de la o las placas de acero que forma el
muro compuesto. Es importante resaltar que la Ecua-
ción 8-10 no considera la resistencia a corte del hormi-
gón armado. Ello se debe al insuficiente conocimiento
como para desarrollar una ecuación de diseño que
combine ambas resistencias. Además, la resistencia de
la placa, usualmente, es significativamente mayor que
la del hormigón, por lo cual este criterio no presenta
mayores inconvenientes desde el punto de vista prácti-
co.
La conexión entre las placas de acero y los elemen-
tos de borde debe ser continua, en todos los bordes y
realizarse con juntas soldadas o apernadas. Las juntas
de conexión deben tener resistencia adecuada para
asegurar el desarrollo de la resistencia nominal a corte
de la placa de acero. La conexión entre la placa de
acero y el panel de hormigón armado debe realizarse
mediante conectores de acero que permitan controlar el
pandeo de la placa. Estos conectores deben diseñarse
para resistir las fuerzas de tracción, originadas por el
pandeo inelástico de la placa, y el corte necesario para
transferir la resistencia a corte de la placa o del panel
de hormigón, según cual sea la menor.
120
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